張立華，吳偉仁

（1.航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094；2.探月與航天工程中心，北京 100086）

引 言

月球探測一直是深空探測的重點(diǎn)，并且在未來很長一段時(shí)間內(nèi)，月球探測仍將是國際深空探測活動(dòng)的重點(diǎn)，美國、俄羅斯、歐空局和中國未來都規(guī)劃了多個(gè)月球探測任務(wù)，包括無人探測和載人登月任務(wù)[1-11]。

以往的月球著陸和取樣返回探測任務(wù)都集中在月球正面，我國的“嫦娥4號(hào)”任務(wù)在人類歷史上首次著陸于月球背面開展科學(xué)探測[12]，未來也會(huì)有更多的探測器涉足月球背面以及兩極區(qū)域。月球背面南極有太陽系中最大最深的撞擊盆地—“艾托肯”（Aitken）盆地，月球南北極還存在水冰，月球兩極和背面可能蘊(yùn)含豐富的資源，具有更大的探測價(jià)值。因此，月球的這些對地不可見區(qū)域或?qū)⒊蔀槲磥碓虑蛱綔y關(guān)注的焦點(diǎn)。我國后續(xù)的月球探測任務(wù)，也是把月球極區(qū)作為重點(diǎn)探測目標(biāo)，包括巡視器/機(jī)器人探測、宇航員探測和人機(jī)聯(lián)合探測等方式。

在環(huán)月探測任務(wù)和月球正面的著陸及取樣返回探測任務(wù)中，探測器在各飛行階段的測控通信均能夠依靠地面站支持，因而沒有發(fā)展專用中繼通信衛(wèi)星系統(tǒng)的迫切需求。隨著月球兩極和背面等區(qū)域的探測價(jià)值凸顯，對這些對地不可見區(qū)域的中繼通信問題受到國內(nèi)外的高度關(guān)注。

因?yàn)樵虑蚩偸且幻娉厍?，所以月球的背面一直對地不可見。對于月球兩極區(qū)域，也不是每天都能對地可見，特別是月球極點(diǎn)附近區(qū)域，約半個(gè)月時(shí)間無法直接對地可見，且對地指向仰角小于6.5°。對于月球的這些對地不可見區(qū)域，月面探測器無法與地面站建立直接的通信聯(lián)系，傳統(tǒng)的地球軌道中繼衛(wèi)星系統(tǒng)也無法解決，必須研制專用的中繼通信衛(wèi)星[12-13]。

對于載人探月任務(wù)，各個(gè)階段都需要地面站能夠與載人飛船和宇航員進(jìn)行實(shí)時(shí)的測控通信，由于月球的遮擋，地面測控站以及地球軌道的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)都無法對載人月球探測器進(jìn)行連續(xù)無縫隙的實(shí)時(shí)覆蓋，也有對月球中繼通信衛(wèi)星的需求。

1 國內(nèi)外研究情況綜述

月球中繼通信的想法和相關(guān)的研究論證工作由來已久。早在1950年，阿瑟?克拉克在《行星際飛行》一書中就提出地月L2平動(dòng)點(diǎn)是向月球背面殖民地進(jìn)行廣播和電視轉(zhuǎn)播的理想位置，這也是月球中繼通信的最早想法[14]。

1963年，美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）的Kliore在《平動(dòng)點(diǎn)衛(wèi)星的利用》一文中，將月球中繼通信的想法進(jìn)一步深化，提出了利用地月系統(tǒng)的平動(dòng)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)對月球背面和極區(qū)的中繼通信的想法，并與采用環(huán)月軌道的中繼通信衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行了比較[15]。

1966年，美國TRW公司的Neuner論證并提出了環(huán)月軌道的月球中繼衛(wèi)星系統(tǒng)[16]，該系統(tǒng)采用了由多星組成的能覆蓋整個(gè)月球的星座方案，每顆衛(wèi)星通過自旋穩(wěn)定控制姿態(tài)，采用單組元的肼推進(jìn)系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 TRW公司的月球中繼衛(wèi)星概念Fig.1 Lunar relay satellite concept by TRW

1967年，美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）戈達(dá)德飛行中心的Vonbun提出了運(yùn)行在繞地月L2平動(dòng)點(diǎn)軌道的中繼通信衛(wèi)星方案，構(gòu)型如圖2所示，衛(wèi)星名為“Hummingbird”，重量190 kg，采用離子電推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行軌道維持[17]。

1967年，美國的Farquhar教授提出了繞地月L2點(diǎn)Halo軌道的概念和在這一軌道上放置一顆中繼衛(wèi)星對月球背面著陸的探測器提供中繼通信的方案[18-20]，如圖3所示。按照Farquhar的建議，NASA曾計(jì)劃在“Apollo17”任務(wù)中實(shí)施該想法，由于任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)較大等原因未能實(shí)現(xiàn)。

圖3 支持月球背面探測任務(wù)的地月L2點(diǎn)Halo軌道上中繼通信構(gòu)想Fig.3 Communication between the lunar farside and the relay satellite in Earth-Moon Halo orbit

1970年，美國MIT(Massachusetts Institute of Technology)的Kurland等[21]提出了針對月球背面探測任務(wù)的中繼衛(wèi)星方案，如圖4所示，衛(wèi)星運(yùn)行于振幅大于3 500 km的Halo軌道，期望能夠支持阿波羅（Apollo）載人登月任務(wù)及月球背面的無人探測任務(wù)。

圖4 MIT的月球中繼通信衛(wèi)星方案Fig.4 Scheme of lunar relay satellite proposed by MIT

20世紀(jì)六七十年代月球中繼通信衛(wèi)星的研究論證工作主要是伴隨著月球探測任務(wù)的興起和Apollo登月計(jì)劃的實(shí)施來開展的。在NASA的組織下，美國的相關(guān)研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)和工業(yè)部門都對月球中繼通信衛(wèi)星系統(tǒng)開展了大量的研究論證工作，提出了很多月球中繼通信系統(tǒng)的解決方案[16-22]，掀起了月球中繼通信衛(wèi)星研究的第一輪熱潮。由于當(dāng)時(shí)技術(shù)能力的限制以及缺乏迫切的需求，研究論證工作還停留在設(shè)想和概念階段，主要集中在軌道和中繼通信覆蓋特性方面，對衛(wèi)星本身的方案缺乏深入細(xì)致的論證，工程可實(shí)現(xiàn)性不強(qiáng)。

從20世紀(jì)90年代開始，美國和歐洲曾論證提出了多個(gè)針對月球背面和兩極的著陸探測任務(wù)[4-11]，其中中繼通信衛(wèi)星也是論證的重點(diǎn)，提出了相應(yīng)的解決方案。

美國的休斯公司為擬在月球背面進(jìn)行的低頻射電觀測任務(wù)提出了中繼通信衛(wèi)星方案[22]，該衛(wèi)星運(yùn)行于地月L2點(diǎn)Halo軌道上，采用自旋穩(wěn)定平臺(tái)，如圖5所示。

圖5 美國休斯公司的月球中繼通信衛(wèi)星方案Fig.5 Scheme of lunar relay satellite proposed by Hughs company

NASA的Glenn研究中心也開展過月球中繼衛(wèi)星的研究和論證工作，提出了繞月球大橢圓極地凍結(jié)軌道運(yùn)行的COMPASS（Collaborative Modeling and Parametric Assessment of Space Systemes）中繼衛(wèi)星方案，為月球南極探測任務(wù)提供中繼通信和導(dǎo)航支持[23]，如圖6所示。

圖6 NASA Glenn中心的月球中繼通信衛(wèi)星構(gòu)想Fig.6 Lunar relay satellite proposed by NASA Glenn research center

美國科羅拉多大學(xué)和MicroSat公司針對月球南極探測任務(wù)提出的中繼通信衛(wèi)星方案，如圖7所示，采用了繞地月L2平動(dòng)點(diǎn)的Halo軌道，衛(wèi)星平臺(tái)采用MicroSat公司的TacSat 2衛(wèi)星平臺(tái)，整星重量約400 kg[10]。

圖7 MicroSat公司的月球中繼通信衛(wèi)星構(gòu)想Fig.7 MicroSat’s lunar relay communication satellite

近年來，歐洲航空航天局（European Space Agency，ESA）論證提出了FARSIDE月球背面著陸探測任務(wù)，如圖8所示，其中的中繼通信衛(wèi)星也采用了繞地月L2平動(dòng)點(diǎn)運(yùn)行的Halo軌道，衛(wèi)星平臺(tái)采用Myriad微小衛(wèi)星平臺(tái)，整星重量約250 kg[8]。

德國的OHB公司和斯圖加特大學(xué)在2014年提出了運(yùn)行于地月L4和L5平動(dòng)點(diǎn)的月球中繼通信衛(wèi)星方案，如圖9所示，目的是為無人和載人月球探測器提供支持，衛(wèi)星重量約2 020 kg，運(yùn)行壽命為10年，為了解決大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}，除了微波中繼鏈路外，還采用了激光通信鏈路[24]。

圖8 ESA FARSIDE任務(wù)的中繼通信衛(wèi)星Fig.8 Relay satellite for ESA FARSIDE mission

圖9 OHB公司月球中繼通信衛(wèi)星構(gòu)想Fig.9 Lunar relay satellite proposed by OHB

月球中繼通信衛(wèi)星選擇地月L2平動(dòng)點(diǎn)軌道同時(shí)還有利于采用LiAISON（Linked，Autonomous，Interplanetary Satellite Orbit Navigation）導(dǎo)航方法實(shí)現(xiàn)對月球探測器的導(dǎo)航定位。

約翰·霍普金斯大學(xué)（The Johns Hopkins University，JHU）在NASA支持下提出的月球中繼通信和導(dǎo)航定位方案采用3顆月球極軌衛(wèi)星、3顆赤道軌道衛(wèi)星和1顆地月L2平動(dòng)點(diǎn)Halo軌道衛(wèi)星組成的系統(tǒng)。7顆衛(wèi)星形成對月球的全部覆蓋，能夠?yàn)樵虑蛱綔y器提供中繼通信和導(dǎo)航服務(wù)，如圖10所示。

圖10 JHU的月球中繼通信與導(dǎo)航定位系統(tǒng)構(gòu)想Fig.10 JHU lunar communication and navigation system concept

NASA的Goddard空間中心提出的中繼通信與導(dǎo)航系統(tǒng)方案則采用了地月L2點(diǎn)Halo軌道衛(wèi)星與GPS（Global Positioning System）系統(tǒng)相結(jié)合的方案，能夠?yàn)榈卦驴臻g的航天器提供中繼通信和導(dǎo)航定位服務(wù)。

在20世紀(jì)90年代開始的月球中繼通信衛(wèi)星研究新一輪熱潮中，除美國外，歐洲也開展了相關(guān)的工作，研究論證更加深入，對環(huán)月軌道和地月平動(dòng)點(diǎn)軌道進(jìn)行了詳細(xì)的分析比較，大多數(shù)方案都選擇了平動(dòng)點(diǎn)軌道。衛(wèi)星方案都是基于現(xiàn)有的成熟平臺(tái)，具有較好的工程可實(shí)現(xiàn)性。進(jìn)入21世紀(jì)以來，導(dǎo)航定位與中繼通信相結(jié)合的解決方案備受關(guān)注，新的導(dǎo)航方法不斷提出。但由于研究論證的項(xiàng)目都沒有最終立項(xiàng)，缺乏工程的牽引和帶動(dòng)，研究工作未能取得實(shí)質(zhì)性突破。

除了具體的中繼通信衛(wèi)星方案論證工作外，美國和歐洲在月球中繼通信衛(wèi)星體系架構(gòu)方面也開展了很多研究工作[25-27]，提出了針對各種月球探測任務(wù)的全面解決方案，為未來月球中繼通信系統(tǒng)的體系化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

NASA曾專門成立了一個(gè)空間通信體系工作組（Space Communication Architecture Working Group，SCAWG）來制定通信體系架構(gòu)，針對月球探測任務(wù)的中繼通信和導(dǎo)航需求，深入論證了從機(jī)器人探測到載人月球探測的每一發(fā)展階段的系統(tǒng)解決方案，覆蓋了從月球正面、兩極到背面的各類探測任務(wù)。

ESA對載人登月任務(wù)的測控通信體系也進(jìn)行了深入論證，提出了針對各個(gè)任務(wù)階段的系統(tǒng)解決方案，其支持月球背面任務(wù)的測控通信系統(tǒng)總體框架如圖11所示，其中包含了運(yùn)行在繞地月L2點(diǎn)軌道上的2顆中繼通信衛(wèi)星。

圖11 ESA針對月球背面載人登月的測控通信體系Fig.11 Communication system architecture for manned lunar farside missions

近年來，國內(nèi)針對月球中繼通信方面也開展了一些研究和論證工作，包括軌道設(shè)計(jì)、系統(tǒng)方案研究和發(fā)展建議[28-31]等。研究工作主要集中在系統(tǒng)軌道選擇和性能分析方面，包括各種軌道衛(wèi)星及星座的覆蓋性能、維持代價(jià)、通信性能等方面的分析研究。

盡管月球中繼通信衛(wèi)星系統(tǒng)的研究和論證工作已開展了很多年，提出了很多解決方案，但由于各種原因，一直未能在工程上實(shí)現(xiàn)。中國的“嫦娥4號(hào)”任務(wù)是人類歷史上首個(gè)在月球背面開展著陸和巡視勘察的探測任務(wù)，“嫦娥4號(hào)”任務(wù)的中繼星—“鵲橋”，也是世界上首顆月球中繼通信衛(wèi)星，該衛(wèi)星已于2018年5月21日發(fā)射并進(jìn)入到繞地月L2平動(dòng)點(diǎn)運(yùn)行的Halo軌道，50多年前的設(shè)想終于變成了現(xiàn)實(shí)。“鵲橋”為2018年12月8日發(fā)射的“嫦娥4號(hào)”著陸器和巡視器提供中繼通信服務(wù)，支持完成月球背面的著陸和巡視勘察探測任務(wù)，如圖12所示。

圖12 “嫦娥4號(hào)”月球背面著陸探測任務(wù)Fig.12 Chang’e-4 lunar farside landing exploration mission

2 月球中繼通信的能力需求分析

月球中繼通信衛(wèi)星系統(tǒng)重點(diǎn)是解決月球背面和兩極等對地不可見探測任務(wù)以及載人航天器在繞月過程中的對地不可見時(shí)段的對地通信需求，月球中繼通信衛(wèi)星需要提供的任務(wù)支持能力主要包括:

1）支持完成對月球探測器的測控任務(wù):實(shí)現(xiàn)地面上行遙控指令和注入數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，兼顧無人探測和有人探測的需求，碼速率要達(dá)到20 Mbits/s。

2）支持對月球探測器的高速數(shù)據(jù)傳輸任務(wù):返向接收月球探測器不小于100 Mbits/s碼速率的數(shù)據(jù)，將月球探測器獲取的探測記錄、科學(xué)數(shù)據(jù)及宇航員的聲音、視頻等傳到中繼通信衛(wèi)星。

3）支持對地高速數(shù)據(jù)傳輸任務(wù):要求提供不小于100 Mbits/s碼速率的對地?cái)?shù)傳能力，將月球探測器得到的探測記錄、科學(xué)數(shù)據(jù)及宇航員的聲音、視頻等傳回地面站。

4）實(shí)時(shí)性要求:中繼通信轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)延要小，特別是月面遙操作和與宇航員的語音通信，不考慮信號(hào)傳輸距離帶來的時(shí)延，中繼通信前返向鏈路的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延都要控制在500 ms以下。

對月球中繼通信衛(wèi)星的需求概括起來就是:高覆蓋率、高碼速率、高可靠性、強(qiáng)實(shí)時(shí)性。不同的月球探測任務(wù)對中繼通信的需求不同，因此月球中繼通信衛(wèi)星系統(tǒng)要根據(jù)具體的任務(wù)特點(diǎn)來選擇最合適的解決方案。

NASA把月球中繼通信設(shè)施納入了SCaN集成網(wǎng)絡(luò)中以擴(kuò)展其對月球附近用戶提供服務(wù)的能力。SCaN架構(gòu)中月球中繼通信部分如圖13所示，包括地月之間的主干鏈路以及月球表面的鏈路，能夠?yàn)樵虑蛱綔y任務(wù)，特別是載人登月任務(wù)提供保障。

圖13 NASA的月球中繼通信系統(tǒng)構(gòu)架Fig.13 Relay communication system architecture for NASA lunar exploration missions

SCaN體系架構(gòu)中的月球中繼通信部分將提供60%～100%覆蓋能力，具體取決于用戶需求、軌道位置和航天器的數(shù)量。月球中繼通信系統(tǒng)擬采用激光鏈路，從月球到地面站數(shù)據(jù)速率高達(dá)1.2 Gbits/s，從月球附近通過射頻鏈路，還能提供不少于250 Mbits/s的數(shù)據(jù)速率，以及無線電測距能力。

3 中繼通信體制選擇

不同于地球軌道中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，月球中繼通信衛(wèi)星中繼通信體制的選擇要根據(jù)任務(wù)的需求和特點(diǎn)來設(shè)計(jì)，月球中繼通信的體制和方案選擇重點(diǎn)要考慮以下一些問題。

1）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議選擇

從目前國際航天任務(wù)空間組網(wǎng)協(xié)議體系的研究和應(yīng)用情況來看，可供選擇的主要有4種協(xié)議體系:基于CCSDS（Consultative Committee for Space Data Systems）的協(xié)議體系、基于TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）的協(xié)議體系、將CCSDS與TCP/IP結(jié)合的協(xié)議體系、基于DTN（Delay Tolerant Networks）的協(xié)議體系。CCSDS協(xié)議為國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，專為空間鏈路設(shè)計(jì)，體系比較完善，同時(shí)也支持地面TCP/IP協(xié)議在空間的拓展，已得到廣泛應(yīng)用。

基于DTN的協(xié)議體系針對深空應(yīng)用環(huán)境提出，為更遠(yuǎn)期的發(fā)展而設(shè)計(jì)，涵蓋了前面3種協(xié)議體系，是更高一級(jí)的協(xié)議體系。首先，DTN通過存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，能夠較好地解決長時(shí)延和鏈路不連續(xù)導(dǎo)致的問題，適用于地球到月球乃至更遠(yuǎn)距離的深空通信；其次，DTN能夠?qū)⒉煌愋偷木W(wǎng)絡(luò)下層協(xié)議整合在一起，在不改變原有網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)多重異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，具有良好的兼容性和擴(kuò)展性。另外，基于DTN架構(gòu)，對現(xiàn)有設(shè)備的改造主要是在協(xié)議層次上，大部分設(shè)備無需改動(dòng)硬件，代價(jià)較小，可實(shí)現(xiàn)性好。因此，基于DTN的星際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系適合于月球及深空中繼通信任務(wù)，可作為支持月球探測任務(wù)的星際互聯(lián)網(wǎng)的主要協(xié)議架構(gòu)[32]。

我國下一代地球軌道中繼通信衛(wèi)星系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議也將采用DTN協(xié)議[33]，因此，月球中繼通信衛(wèi)星采用DTN協(xié)議也有利于與其互聯(lián)互通。

2）中繼轉(zhuǎn)發(fā)體制選擇

中繼通信衛(wèi)星的通信轉(zhuǎn)發(fā)主要有透明轉(zhuǎn)發(fā)及再生轉(zhuǎn)發(fā)兩種體制，與單純完成轉(zhuǎn)發(fā)的透明式轉(zhuǎn)發(fā)相比，再生轉(zhuǎn)發(fā)具有星上處理、交換功能，不會(huì)引入轉(zhuǎn)發(fā)噪聲，能夠減少傳輸差錯(cuò)率，提高效率，消除干擾，降低傳輸時(shí)延，改善中繼通信的性能，因此月球中繼通信衛(wèi)星主要是采用再生轉(zhuǎn)發(fā)體制。

3）調(diào)制方式選擇

調(diào)制方式的選擇是由系統(tǒng)的信道特性決定的，與其它通信系統(tǒng)相比，月球及深空通信任務(wù)中的功率受限問題更加突出。為了有效利用功率資源，使調(diào)制后信號(hào)波形的瞬時(shí)幅度波動(dòng)盡量小，從而減小非線性的影響，使用非線性功率放大器和（準(zhǔn)）恒定包絡(luò)調(diào)制所得到的性能增益要高于使用線性功率放大器和非恒定包絡(luò)調(diào)制信號(hào)的增益。

目前中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的星地和星間微波鏈路一般采用BPSK（Binary Phase Shift Keying）或QPSK（Quadrature Phase Shift Keying）調(diào)制方式，而且調(diào)制方式和數(shù)據(jù)傳輸速率在中繼通信過程中不能改變。對于未來月球中繼通信鏈路，數(shù)據(jù)速率500 Mbit/s以下的鏈路仍應(yīng)與現(xiàn)在一樣主用BPSK或QPSK，500 Mbit/s以上的鏈路可采用8PSK（8 Phase Shift Keying）、16APSK（16 Amplitude Phase Shift Keying）、GMSK（Gaussian Filtered Minimum Shift Keying）的頻譜利用率高等調(diào)制方式，同時(shí)鏈路調(diào)制體制能夠根據(jù)系統(tǒng)使用情況，通過軟件加載手段，隨時(shí)升級(jí)和改進(jìn)，形成具有認(rèn)知能力、實(shí)時(shí)自適應(yīng)、功能可升級(jí)的柔性調(diào)制體制。

4）采用高效編碼方式

由于月球中繼通信距離較遠(yuǎn)，通信信號(hào)衰減大，對這種極為微弱的信號(hào)進(jìn)行處理的難度大。而糾錯(cuò)編碼則是一種有效提高功率利用效率的方法，在深空探測器上普遍采用了糾錯(cuò)編碼。目前采用的信道編碼主要是以卷積碼作為內(nèi)碼、RS碼（Reed-Solomon Codes）作為外碼的級(jí)聯(lián)碼，未來將以LDPC（Low Density Parity Check Code）、BCH+LDPC等高增益糾錯(cuò)碼為主。

4 中繼通信任務(wù)的軌道位置選擇和覆蓋特性

對于月球中繼通信衛(wèi)星，軌道位置的選擇十分重要，直接決定了中繼通信的覆蓋特性和鏈路能力。

月球中繼通信任務(wù)主要有兩類軌道可以選擇:①是環(huán)月軌道；②是地月平動(dòng)點(diǎn)軌道。兩類軌道各有特點(diǎn)，需要根據(jù)具體的任務(wù)來選擇合適的軌道。

環(huán)月軌道的特點(diǎn)是距離月面近，能夠以較小的代價(jià)實(shí)現(xiàn)高碼率的中繼通信，但其運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)決定單顆衛(wèi)星無法實(shí)現(xiàn)對月球背面等不可見區(qū)域的連續(xù)通信，如果發(fā)射多顆衛(wèi)星組成星座，則會(huì)增加系統(tǒng)研制建設(shè)成本，還帶來了測控管理上的復(fù)雜性。而將中繼通信衛(wèi)星放置于地月L2平動(dòng)點(diǎn)軌道上，借助平動(dòng)點(diǎn)軌道運(yùn)動(dòng)特性，利用單顆衛(wèi)星就可以實(shí)現(xiàn)對月球背面和南極等對地不可見區(qū)域的連續(xù)通信。

另外，由于平動(dòng)點(diǎn)特殊的動(dòng)力學(xué)特性，在繞平動(dòng)點(diǎn)軌道上部署的中繼通信衛(wèi)星僅需消耗很少的推進(jìn)劑就能實(shí)現(xiàn)長期的軌道保持，因此，地月平動(dòng)點(diǎn)成為布置月球中繼通信衛(wèi)星的理想位置選擇。運(yùn)行在地月L2平動(dòng)點(diǎn)軌道上的衛(wèi)星通過采用較大的振幅，能夠保證始終對地球和月球背面可見，相對于月球軌道衛(wèi)星，地月平動(dòng)點(diǎn)軌道上的衛(wèi)星有陰影的時(shí)間極少，對星上電源供給更有利。因此，在地月平動(dòng)點(diǎn)軌道上布置中繼通信衛(wèi)星，能夠以較少的衛(wèi)星數(shù)量實(shí)現(xiàn)對月球探測器的連續(xù)覆蓋。為支持月球背面的著陸和巡視探測任務(wù)，提供連續(xù)的中繼通信服務(wù)，“嫦娥4號(hào)”中繼星就選擇了繞地月L2平動(dòng)點(diǎn)的Halo軌道[34]。

繞地月L2平動(dòng)點(diǎn)的軌道是不穩(wěn)定的，必須定期進(jìn)行軌道維持[35]。按照目前地月L2平動(dòng)點(diǎn)Halo軌道的測軌精度和中繼星軌道控制精度，經(jīng)仿真分析，每年軌道維持所需的速度增量不超過36 m/s，根據(jù)“嫦娥4號(hào)”中繼星當(dāng)前在軌維持的實(shí)施結(jié)果，每年軌道維持所需的速度增量不超過20 m/s。繞月軌道的中繼通信衛(wèi)星也有軌道維持的問題，最好選擇凍結(jié)軌道，軌道維持所需的推進(jìn)劑消耗很小。

5 月球中繼通信技術(shù)未來發(fā)展展望

“嫦娥4號(hào)”中繼星揭開了月球中繼通信衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展的序幕，但其主要是為滿足“嫦娥4號(hào)”著陸器和巡視器要求而專門研制的一顆衛(wèi)星，中繼通信能力有限，也不具備靈活的適應(yīng)性，為了能夠?qū)ξ磥淼脑虑蛱綔y任務(wù)提供有力的保障，月球中繼通信系統(tǒng)要在以下一些技術(shù)方面進(jìn)一步發(fā)展。

1）提高傳輸碼速率，解決大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}

未來的月球探測任務(wù)會(huì)產(chǎn)生大量的科學(xué)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)需要高速可靠地在航天器之間傳遞并傳回到地球。由于中繼通信衛(wèi)星離月球軌道探測器和月面探測器的距離可能比較遠(yuǎn)，通過無線電通信鏈路提高數(shù)據(jù)傳輸碼速率的代價(jià)較大，而激光通信系統(tǒng)則是解決問題的更好途徑。近年來，激光通信技術(shù)飛速發(fā)展并逐漸在地球軌道航天器上得到應(yīng)用，在2013年9月發(fā)射的LADEE（The Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer）月球探測器上，NASA進(jìn)行了月球激光通信演示（Lunar Laser Communications Demonstration，LLCD）試驗(yàn)，使用激光通信實(shí)現(xiàn)了月球和地球之間的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，對地?cái)?shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到622 Mbits/s，為后續(xù)在月球探測任務(wù)中的應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)[36-37]，因此激光通信是未來月球中繼通信鏈路的一個(gè)重要選擇。

2）提高覆蓋性，實(shí)現(xiàn)全月面、全時(shí)段的覆蓋能力

隨著月球探測任務(wù)的發(fā)展，月球探測器將可能運(yùn)行在各種環(huán)月軌道及各個(gè)月面位置，月球中繼通信衛(wèi)星系統(tǒng)必須能覆蓋到全月軌道和全月面，與地面測控和應(yīng)用系統(tǒng)配合，能夠?qū)Ω鞣N月球探測器實(shí)現(xiàn)連續(xù)不間斷的中繼通信服務(wù)。未來的月球中繼通信衛(wèi)星系統(tǒng)要通過分階段、分步驟建設(shè)，發(fā)展由多種軌道衛(wèi)星組成的星座系統(tǒng)，最終形成全月面、全時(shí)段的覆蓋能力。

3）統(tǒng)籌考慮，實(shí)現(xiàn)體系化發(fā)展

月球中繼通信衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展，不能僅僅考慮月球探測任務(wù)的需要，還要兼顧其它深空探測任務(wù)的中繼通信需求，包括火星、小行星和木星探測等其它深空探測任務(wù)。

為了實(shí)現(xiàn)科學(xué)數(shù)據(jù)的有效傳輸和提供可靠的通信導(dǎo)航服務(wù)，NASA提出了下一代空間互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，以深空中繼通信系統(tǒng)為主干線，構(gòu)成行星際網(wǎng)絡(luò)，月球中繼通信衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展也必須統(tǒng)籌兼顧、協(xié)調(diào)發(fā)展、綜合利用，放在整個(gè)深空通信體系中來考慮。

4）提高系統(tǒng)靈活性和適應(yīng)性，便于國際和商業(yè)用戶使用

為了能夠服務(wù)于國際和商業(yè)用戶，月球中繼通信衛(wèi)星必須要有開放的架構(gòu)，靈活的配置，能夠適用各類數(shù)據(jù)接口。

未來月球中繼通信衛(wèi)星系統(tǒng)要通過認(rèn)知無線電和軟件定義無線電等新技術(shù)的應(yīng)用，能夠根據(jù)使用環(huán)境和用戶需求實(shí)時(shí)對包括傳輸頻率、傳輸速率、信道糾錯(cuò)碼等參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，也可根據(jù)新的任務(wù)需求對鏈路參數(shù)進(jìn)行更新配置和加載，使中繼通信鏈路與使用環(huán)境和用戶需求達(dá)到最佳匹配。月球中繼通信衛(wèi)星系統(tǒng)的建設(shè)，也必須考慮到國際聯(lián)網(wǎng)能力、互操作性、通用性的要求，要采用DTN等標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，能夠?yàn)閲H和商業(yè)用戶提供有效的服務(wù)。

5）與導(dǎo)航定位統(tǒng)籌考慮，形成綜合保障能力

在月球探測任務(wù)中，地球軌道的GPS、北斗等導(dǎo)航系統(tǒng)難以對月球探測器提供連續(xù)可靠的導(dǎo)航定位服務(wù)，因此除了中繼通信，導(dǎo)航定位也是月球探測任務(wù)的一個(gè)重要需求。在針對月球探測的導(dǎo)航定位方面，國內(nèi)外也開展了大量的研究和論證工作，提出了相應(yīng)的解決方案，LIAISON導(dǎo)航就是其中一種有前景的導(dǎo)航方式[38-40]，該種導(dǎo)航方式具有系統(tǒng)簡單、定位精度高的特點(diǎn)，只要參與星間測量的衛(wèi)星中有一顆衛(wèi)星位于地月平動(dòng)點(diǎn)軌道上，依靠星間距離或速度測量信息就能確定各個(gè)衛(wèi)星的絕對位置和速度。

未來月球中繼通信系統(tǒng)的發(fā)展與導(dǎo)航定位能力的發(fā)展要同步進(jìn)行，以形成綜合保障能力，通過平臺(tái)資源共享、信息共用，有效降低系統(tǒng)研制建設(shè)成本，為月球探測任務(wù)提供更全面的保障。

6）提高系統(tǒng)使用壽命，增強(qiáng)系統(tǒng)效費(fèi)比

月球中繼通信衛(wèi)星系統(tǒng)作為月球探測任務(wù)的服務(wù)保障性系統(tǒng)，必須具有較長的使用壽命，至少應(yīng)運(yùn)行10年以上，并且能夠?yàn)楦嗟挠脩籼峁┓?wù)，同時(shí)要便于升級(jí)和維護(hù)，增強(qiáng)系統(tǒng)效費(fèi)比。

6 結(jié)束語

月球仍將是人類未來空間探測任務(wù)的重點(diǎn)目標(biāo)，NASA在2018年9月最新發(fā)布的“國家太空探索活動(dòng)”中提出，2020年開始以月球資源探測為重點(diǎn)的任務(wù)，21世紀(jì)20年代末，讓宇航員重新登陸月球，同時(shí)考慮在地月空間建立永久性空間站。俄羅斯近期也提出了21世紀(jì)30年代實(shí)現(xiàn)載人登月的目標(biāo)。我國針對南極等區(qū)域的無人探測任務(wù)正積極推進(jìn)，載人登月任務(wù)也會(huì)在不遠(yuǎn)的將來實(shí)施。為支持機(jī)器人、宇航員及人機(jī)結(jié)合的月球探測任務(wù)，中繼通信是必須解決的關(guān)鍵問題。

發(fā)展專用中繼通信衛(wèi)星系統(tǒng)是滿足月球探測任務(wù)中繼通信需求的一種重要途徑。為了實(shí)現(xiàn)全月球、全時(shí)段覆蓋，可以采用地月平動(dòng)點(diǎn)軌道與繞月軌道衛(wèi)星結(jié)合的星座系統(tǒng)，充分發(fā)揮兩種軌道的優(yōu)勢。要共享平臺(tái)資源，將中繼通信與導(dǎo)航定位能力統(tǒng)籌考慮，形成全面的服務(wù)保障能力。中繼通信鏈路要考慮采用激光通信鏈路，進(jìn)一步提高中繼通信的碼速率，滿足大容量數(shù)據(jù)傳輸要求。

未來的月球中繼通信衛(wèi)星系統(tǒng)要使用軟件定義無線電等新技術(shù)，能夠根據(jù)使用環(huán)境和用戶需求對鏈路參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，方便用戶使用，并具有較強(qiáng)的多用戶和新用戶支持能力。月球中繼通信衛(wèi)星系統(tǒng)與用戶航天器、地球軌道中繼通信衛(wèi)星系統(tǒng)、地面控制中心間要構(gòu)成天地一體化數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)[33]，并與支持其它深空探測任務(wù)的中繼通信系統(tǒng)統(tǒng)籌考慮，形成統(tǒng)一的、集成化的網(wǎng)絡(luò)，為各類深空探測任務(wù)提供穩(wěn)定可靠的中繼通信與導(dǎo)航服務(wù)。