翟盛華,田嘉,董超,李雄飛,惠騰飛

中國空間技術(shù)研究院西安分院,西安 710100

1 引言

對(duì)于以火星探測為代表的行星際探測,通信一直是最基礎(chǔ)也同樣是最具挑戰(zhàn)的領(lǐng)域之一,受制于運(yùn)載能力和著陸火星表面的嚴(yán)苛限制,火星車對(duì)質(zhì)量、體積及功率的約束尤為苛刻,直接導(dǎo)致了其對(duì)地通信能力較弱,考慮到火星車存在大量圖像及科學(xué)探測數(shù)據(jù)回傳的需求,只能依賴于通信能力更強(qiáng)的環(huán)繞器,因此原位中繼通信對(duì)于火星車而言意義重大,可以說是火星車大數(shù)據(jù)量中繼的唯一途徑。

根據(jù)火星車的具體工作場景,原位中繼通信在發(fā)展中逐漸具備了以下特點(diǎn):

1)利用UHF(ultra high frequency)頻段的寬波束特性,增加各可見弧段內(nèi)環(huán)繞器和火星車的通信時(shí)間。

2)引入速率自適應(yīng)切換機(jī)制,確保了在沒有地面干預(yù)的條件下也能以信道支持的最大能力進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。

3)采用復(fù)雜的協(xié)議處理機(jī)制確保了節(jié)點(diǎn)之間通信的可靠性及穩(wěn)定性。

4)為增加各國在深空探測任務(wù)中的合作及中繼通信的效率,逐漸形成了一套國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,并發(fā)展完善。

5)引入相干轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制,確保了在通信的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高精度雙向多普勒測量,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)火星車的有效定位。

6)質(zhì)量、功率及環(huán)境(如火星大氣)嚴(yán)格受限條件下的高集成,微放電免疫的工程化實(shí)現(xiàn)能力。

美國自2001年發(fā)射火星奧德賽號(hào)探測器開始,后續(xù)的勇氣號(hào)、機(jī)遇號(hào)、鳳凰號(hào)、好奇號(hào)、洞察號(hào)和毅力號(hào)均攜帶支持原位中繼通信的載荷,由于其重要性,還單獨(dú)將其命名為希臘神話中的“Electra(伊蕾克特拉)”,通過Electra,美國的火星車將大量數(shù)據(jù)回傳至美國及歐洲的環(huán)繞器,并最終傳輸至地球。相較于美國火星探測任務(wù),中國首次火星探測任務(wù)“天問一號(hào)”由于通過一次發(fā)射實(shí)現(xiàn)“繞、著、巡”,祝融號(hào)火星車比美國毅力號(hào)火星車小,但是通信載荷的性能指標(biāo)卻是對(duì)標(biāo)毅力號(hào)火星車的,以祝融號(hào)原位中繼通信載荷UHF頻段收發(fā)信機(jī)為例,其信號(hào)捕獲跟蹤靈敏度、頻率動(dòng)態(tài)范圍、速率自適應(yīng)切換能力、體制協(xié)議集成融合度、產(chǎn)品質(zhì)量及功耗均優(yōu)于“Electra”系列載荷,因此技術(shù)難度極大。祝融號(hào)火星車對(duì)UHF頻段信號(hào)接收及發(fā)射的中繼天線安裝位置如圖1所示,其收發(fā)信機(jī)安裝在火星車內(nèi)部。

圖1 UHF頻段中繼天線示意Fig.1 Schematic diagram of UHF band relay antenna

國外對(duì)Electra的功能性能有大量的研究文獻(xiàn),例如,文獻(xiàn)[1]給出了Electra的整體實(shí)現(xiàn)架構(gòu)和質(zhì)量功耗,文獻(xiàn)[2]給出了Electra部分設(shè)計(jì)指標(biāo)值和在軌部分實(shí)測指標(biāo)值,文獻(xiàn)[3]闡述了CCSDS proximity-1協(xié)議在Electra的實(shí)現(xiàn)方式,文獻(xiàn)[4]聚焦于Electra的跟蹤性能,文獻(xiàn)[5]給出了ESA火星采樣返回任務(wù)中Electra的小型化技術(shù),以上文獻(xiàn)均從一個(gè)側(cè)面描述了Electra的關(guān)鍵技術(shù),并未全面系統(tǒng)地進(jìn)行介紹。

本文主要聚焦于在祝融號(hào)火星車強(qiáng)約束條件下,系統(tǒng)全面地從超高靈敏度高動(dòng)態(tài)自適應(yīng)信號(hào)解調(diào)技術(shù)、高精度多普勒測量技術(shù)、基于CCSDS Proximity-1的協(xié)議一體化集成融合技術(shù)、面向火星復(fù)雜環(huán)境的高集成度高收發(fā)隔離產(chǎn)品工程化設(shè)計(jì)技術(shù)到產(chǎn)品在軌應(yīng)用情況進(jìn)行詳細(xì)說明,并給出了同“Electra”系列載荷的指標(biāo)對(duì)比情況。

2 超高靈敏度高動(dòng)態(tài)自適應(yīng)信號(hào)解調(diào)技術(shù)

祝融號(hào)火星車完成著陸后,第一個(gè)階段的任務(wù)是開展約90個(gè)火星日的巡視探測,在此期間,環(huán)繞器停留在中繼通信軌道(近火點(diǎn)約300km、遠(yuǎn)火點(diǎn)約12500km,周期約8h),為火星車和地球傳遞信息和數(shù)據(jù)。

表1給出了環(huán)繞器至著陸器的前向鏈路預(yù)算。根據(jù)鏈路預(yù)算表可知,祝融號(hào)火星車UHF通信設(shè)備最低需完成-132dBm左右微弱信號(hào)的接收處理。

表1 前向鏈路預(yù)算(環(huán)繞器至著陸器)

在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中,考慮通信的可靠性,祝融號(hào)火星車UHF通信設(shè)備(包含雙工器)實(shí)現(xiàn)了-134dBm的解調(diào)門限,單載波捕獲跟蹤能力達(dá)到-141dBm。

本系統(tǒng)采用的通信信號(hào)為殘留載波BPSK調(diào)制方式[6-9]。信號(hào)總功率由殘留載波功率部分和調(diào)制信號(hào)功率部分組成。在殘留載波調(diào)制中,載波及調(diào)制信號(hào)是相干的[7],即頻率與相位的變化是一致的。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn),本文提出了一種基于相干殘留載波調(diào)制的高靈敏度自適應(yīng)信號(hào)解調(diào)方法。

殘留載波BPSK調(diào)制方式,其數(shù)學(xué)形式如下[10-12]:

針對(duì)該調(diào)制方式的特點(diǎn),采取如下的處理方式,包括下變頻、濾波抽取、載波跟蹤、速率估計(jì)和解調(diào),具體算法的原理框圖如圖 2所示。

經(jīng)過信道進(jìn)入接收機(jī)的信號(hào)可以表示為:

r(t)=s(t)+n(t)

其中n(t)為噪聲,可表示為:

n(t)=nc(t)cosωct+ns(t)sinωct

nc(t)、ns(t)分別為n(t)的同相分量及正交分量,是白高斯噪聲,均值為0。

信號(hào)進(jìn)入接收端后,首先經(jīng)過下變頻模塊,將估計(jì)出的頻偏濾除。具體操作為將r(t)乘以本振cos(ωct+φ),式中,φ是本振的初始相位。下變頻后的信號(hào)可描述為:

圖2 自適應(yīng)解調(diào)總體方案Fig.2 Overall scheme of adaptive demodulation

通過低通濾波器,將倍頻分離濾除,此時(shí)信號(hào)可表示為:

然后需要進(jìn)入濾波抽取模塊進(jìn)行處理。如果發(fā)射信號(hào)可能傳輸?shù)乃俾蕶n共有N個(gè),傳輸速率從大到小依次為R1、R2…RN,則設(shè)定N級(jí)濾波抽取模塊,第一級(jí)濾波后抽取出R1速率檔,第N級(jí)濾波抽取后抽取出RN速率檔,第N+1級(jí)為單載波濾波器,目的是盡可能將所有的信號(hào)能量濾除,只保留單載波能量,以進(jìn)行載波跟蹤。

此時(shí)送往載波跟蹤模塊的信號(hào)可以描述為:

可以看出,當(dāng)信號(hào)通過多級(jí)濾波抽取模塊后,進(jìn)入載波跟蹤模塊的已經(jīng)是一個(gè)干凈的單載波信號(hào)。此時(shí)可以用卡爾曼濾波、鎖頻環(huán)輔助鎖相環(huán)等跟蹤方式進(jìn)行高靈敏度跟蹤[18-20]。

圖3以RN速率檔為例進(jìn)行說明。當(dāng)信息速率為RN時(shí),第1～N-1級(jí)濾波器均不會(huì)對(duì)信號(hào)帶來影響,第N級(jí)濾波器是針對(duì)RN速率檔來設(shè)計(jì)的,可以將RN信號(hào)帶外的噪聲和干擾濾除,以方便接收。N+1級(jí)濾波器需要設(shè)計(jì)得盡可能窄,用于濾除調(diào)制信號(hào)對(duì)單載波的影響,從而為極低門限的載波信號(hào)跟蹤創(chuàng)造有利條件。

圖3 濾波抽取模塊頻譜(以RN速率檔為例)Fig.3 Spectrum of filter extraction module(take RN as an example)

載波跟蹤性能的優(yōu)劣主要與環(huán)路參數(shù)設(shè)計(jì)有關(guān),圖4給出了在相同載噪比與多普勒條件下,相干積分速率與環(huán)路帶寬因子對(duì)跟蹤鎖定概率的影響。仿真條件為載噪比C/N0=30dB,多普勒頻偏變化率200Hz/s,通過仿真可以看出,選擇適合的積分速率與環(huán)路帶寬因子,可以滿足高跟蹤鎖定概率的需要。

圖4 載波跟蹤環(huán)路參數(shù)仿真Fig.4 Parameter simulation of carrier tracking loop

在各級(jí)濾波抽取后,需要將正交支路的信息輸出。此時(shí),為檢測曼徹斯特編碼帶來的相位模糊,需要額外將正交支路的信息延遲Ts時(shí)間再輸出(Ts為曼徹斯特編碼后的符號(hào)周期)。在速率估計(jì)模塊,對(duì)兩個(gè)支路(當(dāng)前支路和延時(shí)支路)進(jìn)行檢測,采用快速估計(jì)算法,選取正確的速率支路和曼徹斯特相位支路。從而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)速率解調(diào)。

送往解調(diào)的正交支路信號(hào)可以描述為:

若載波環(huán)路工作正常,理想情況下θc=φ,并設(shè)φ=0,此時(shí)解調(diào)信號(hào)為:

通過相干解調(diào)可恢復(fù)出數(shù)據(jù)信號(hào)m(t)。

表2給出了祝融號(hào)火星車UHF頻段前向接收鏈路的在軌實(shí)測數(shù)據(jù),遠(yuǎn)火弧段接收功率約為-128～-131dBm,通信速率為1kbit/s;近火弧段接收功率約為-86～-109dBm,系統(tǒng)通信速率在8～2048kbit/s范圍內(nèi)自適應(yīng)變化,最大頻偏約為-5300～6300Hz。

表2 祝融號(hào)火星車UHF頻段前向接收鏈路在軌數(shù)據(jù)

本系統(tǒng)針對(duì)基于曼徹斯特編碼殘留載波調(diào)制方式的特點(diǎn),提出了一種基于相干殘留載波調(diào)制的高靈敏度自適應(yīng)信號(hào)解調(diào)方法,通過精細(xì)濾波和窄帶寬環(huán)路跟蹤,實(shí)現(xiàn)對(duì)載波的提取跟蹤;通過高精度相位估計(jì)校正技術(shù),將載波鎖定在同相支路上,將信號(hào)鎖定在正交支路上;通過多級(jí)抽取濾波,實(shí)現(xiàn)對(duì)不同速率檔信號(hào)的自適應(yīng)提取;根據(jù)曼徹斯特編碼的特性,將各速率檔的正交支路信號(hào)進(jìn)行匹配相關(guān)和能量積分,在不需要知道傳輸信息的條件下,通過對(duì)能量積分的判決,判斷出當(dāng)前傳輸數(shù)據(jù)的速率,從而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)解調(diào)。

3 高精度多普勒測量技術(shù)

在歷次成功實(shí)施的火星著陸巡視任務(wù)中,高精度的火星車定位對(duì)安全行駛及科學(xué)目標(biāo)和工程目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)發(fā)揮了關(guān)鍵性的作用。美國勇氣號(hào)和機(jī)遇號(hào)火星車的定位運(yùn)用了無線電測控定位、航跡推算、太陽圖像確定方位角、視覺測程、光束法平差定位、地面影像與高分辨率衛(wèi)星影像對(duì)比等多種方法,從“機(jī)遇號(hào)”和“勇氣號(hào)”開始,利用軌道器與著陸器的器間UHF頻段通信手段,在著陸器表面巡視中實(shí)施導(dǎo)航定位,以彌補(bǔ)地面測控站無法與著陸器通信的盲區(qū)限制。

圖5給出了多普勒測量系統(tǒng)的示意。環(huán)繞器收發(fā)信機(jī)以高穩(wěn)晶振為基準(zhǔn),產(chǎn)生單載波信標(biāo)發(fā)送給著陸器。此時(shí),由于環(huán)繞器與著陸器之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng),當(dāng)信標(biāo)到達(dá)著陸器后,會(huì)攜帶多普勒頻偏。著陸器收發(fā)信機(jī)接收到包含多普勒頻偏的信標(biāo)后,需要以該信標(biāo)為基準(zhǔn)產(chǎn)生滿足轉(zhuǎn)發(fā)比要求的回傳信標(biāo)。由于實(shí)際收到的信標(biāo)頻率是動(dòng)態(tài)變化的,因此產(chǎn)生的回傳信標(biāo)也需要實(shí)時(shí)跟蹤和反應(yīng)該變化。著陸器收發(fā)信機(jī)完成信標(biāo)鎖定,并實(shí)現(xiàn)回傳相干信標(biāo)的過程,就是相干轉(zhuǎn)發(fā)[21-22]。

圖5 多普勒測量系統(tǒng)示意Fig.5 Doppler measurement system

著陸器收發(fā)信機(jī)在進(jìn)行相干轉(zhuǎn)發(fā)時(shí),需要完成對(duì)接收信標(biāo)的鎖定,并按照轉(zhuǎn)發(fā)比的要求,產(chǎn)生與接收信標(biāo)相干的發(fā)射信標(biāo),供環(huán)繞器接收并估計(jì)多普勒頻偏。在著陸器收發(fā)信機(jī)的處理過程中,不能引入晶振帶來的時(shí)鐘抖動(dòng)與偏移。

圖6給出了祝融號(hào)火星車UHF收發(fā)信機(jī)相干轉(zhuǎn)發(fā)處理框圖,著陸器收發(fā)信機(jī)在相干轉(zhuǎn)發(fā)模式下,其所用的晶振參考的誤差不會(huì)對(duì)多普勒測量引入額外偏離,因此多普勒測量準(zhǔn)確度主要受限于接收機(jī)鎖相環(huán)環(huán)內(nèi)熱噪聲。

軌道器與著陸器通信過程中存在如下特點(diǎn):在遠(yuǎn)火點(diǎn)時(shí)信號(hào)能量弱,接收信噪比低;在近火點(diǎn)相對(duì)速度較大,接收頻偏動(dòng)態(tài)要求高。變階鎖相環(huán)能夠準(zhǔn)確的跟蹤多普勒頻偏和變化率,同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)較低信噪比下的穩(wěn)定跟蹤,可以滿足本項(xiàng)目的需求。

圖6 祝融號(hào)UHF收發(fā)信機(jī)相干轉(zhuǎn)發(fā)處理框圖Fig.6 Zhurong UHF transceiver coherent forwarding processing block

鎖相環(huán)跟蹤電路中由熱噪聲造成的相位誤差可以表示為:

式中:S為信號(hào)功率;n′(t)為環(huán)路內(nèi)部噪聲;H(s)為鎖相環(huán)系統(tǒng)函數(shù)。

由于將熱噪聲視為高斯模型,如果假設(shè)誤差很小,則可以得到相位誤差的方差為:

加以簡化得:

式中:ρ為鎖相環(huán)的環(huán)內(nèi)信噪比;BL為環(huán)路等效噪聲帶寬;定義為:

對(duì)于很小的誤差來說,上式是一個(gè)基本的結(jié)果,說明了鎖相環(huán)相位誤差方差(單位為rad2)是由環(huán)內(nèi)信噪比決定的,其和環(huán)路等效噪聲帶寬BL呈倒數(shù)關(guān)系。

相位誤差引起的多普勒頻率誤差可以表示為:

圖 7給出了多普勒頻偏估計(jì)精度仿真圖,從圖中可以看出,載波跟蹤環(huán)路帶寬越窄,積分時(shí)間越長,頻偏估計(jì)精度越高。在門限信噪比下,當(dāng)選擇環(huán)路帶寬≤1Hz,積分時(shí)間≥3s的參數(shù)時(shí),多普勒頻偏估計(jì)可以達(dá)到10mHz以內(nèi)的精度。

圖7 多普勒頻偏估計(jì)精度仿真Fig.7 Simulation of Doppler frequency offset estimation accuracy

祝融號(hào)火星車在軌尚未進(jìn)行多普勒測量模式的功能驗(yàn)證,但是在地面聯(lián)試階段,與天問一號(hào)探測器中繼通信設(shè)備進(jìn)行了桌面聯(lián)試驗(yàn)證,在-90dBm的載波電平下,統(tǒng)計(jì)100個(gè)多普勒遙測值,求其標(biāo)準(zhǔn)差。最終實(shí)測多普勒頻偏精度為1.6mHz,與理論值吻合,達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

4 基于CCSDS Proximity-1的協(xié)議一體化集成融合技術(shù)

針對(duì)CCSDS Proximity-1協(xié)議,國際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)采用3份推薦標(biāo)準(zhǔn)和1份信息報(bào)告對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定,具體如表3所示[23-25]。

協(xié)議內(nèi)部從橫向維度,由物理層及數(shù)據(jù)鏈路層組成,其中數(shù)據(jù)鏈路層又包括I/O子層、數(shù)據(jù)服務(wù)子層、幀子層、編碼與同步子層及MAC(media access control)子層。從縱向維度,由發(fā)射部分和接收部分組成,數(shù)據(jù)流包括業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流和控制數(shù)據(jù)流,具體如圖 8所示[26-28]。

表3 CCSDS proximity-1協(xié)議

圖8 CCSDS Proximity-1協(xié)議架構(gòu)Fig.8 Schematic of CCSDS proximity-1

CCSDS proximity-1協(xié)議支持通信自主建立、通信自主結(jié)束、速率自適應(yīng)切換、異常工況自主恢復(fù)、雙向ARQ(automatic repeat-request)大吞吐率傳輸及Set VR等多項(xiàng)復(fù)雜機(jī)制。以下以雙向ARQ大吞吐率傳輸為例闡述數(shù)據(jù)在協(xié)議架構(gòu)內(nèi)的交互過程。

雙向ARQ大吞吐率傳輸也被稱為通信操作流程(COP-P),包括針對(duì)接收端的數(shù)據(jù)幀接收和報(bào)告機(jī)制(FARM-P)和針對(duì)發(fā)射端的數(shù)據(jù)幀操作流程(FOP-P)[29-30]。

從功能層面上進(jìn)行分析,FOP-P流程處于數(shù)據(jù)服務(wù)子層,保證數(shù)據(jù)幀的按序傳輸,FARM-P流程跨越編碼和同步子層、幀子層和數(shù)據(jù)服務(wù)子層,目的是能夠?qū)邮招蛄袛?shù)據(jù)幀做出判斷,分析其是否滿足按序接收以及重復(fù)的條件。如果數(shù)據(jù)幀判斷滿足以上條件后,FARM-P流程返回鄰近空間控制字作為反饋信息以及下一幀的序列值。FOP-P在發(fā)送端接收到返回的反饋信息后,則利用反饋的臨近空間鏈路控制字決定是否需要重傳或者哪一幀需要從滑動(dòng)窗口中移除。和傳統(tǒng)的自動(dòng)請(qǐng)求重傳系統(tǒng)存在差異的地方有,CCSDS proximity-1協(xié)議在幀子層而非數(shù)據(jù)服務(wù)子層生成反饋信息(即臨近空間鏈路控制字),之所以這么操作的緣由包括以下幾點(diǎn):一是消除隊(duì)列延時(shí),確保接收數(shù)據(jù)幀一經(jīng)校驗(yàn),迅速生成臨近空間鏈路字,編碼并發(fā)送;二是確保每個(gè)臨近空間控制字生成的時(shí)候攜帶最新的幀號(hào)。

圖9、圖10給出了發(fā)射端和接收端的數(shù)據(jù)處理流程[31]。

圖9 發(fā)送端數(shù)據(jù)處理流程Fig.9 The processing flow of sending data

圖10 接收端數(shù)據(jù)處理流程Fig.10 The processing flow of receiving data

為方便數(shù)據(jù)流傳輸及控制,美國系列火星探測器中的Electra采用Xilinx抗輻照FPGA(field programmable gate array)實(shí)現(xiàn)物理層及編碼與同步子層[32],采用Sparc抗輻照加固CPU實(shí)現(xiàn)幀子層、數(shù)據(jù)服務(wù)子層、MAC子層和I/O子層[33]。此實(shí)現(xiàn)方法的好處是分層清晰,各功能相對(duì)獨(dú)立,但是通過雙向ARQ大吞吐率傳輸機(jī)制可以看出,復(fù)雜的協(xié)議交互通常不是在一個(gè)子層內(nèi)完成的,需要跨越多個(gè)子層。由于協(xié)議支持的復(fù)雜機(jī)制很多,而該方法中各個(gè)子層又獨(dú)立設(shè)計(jì),使得原本各復(fù)雜機(jī)制中的公共模塊被分散在各個(gè)子層,又根據(jù)縱向功能的維度再次被劃分開,導(dǎo)致了運(yùn)算資源的浪費(fèi)。

由于祝融號(hào)火星車對(duì)質(zhì)量及功耗更加嚴(yán)苛的限制,原位中繼通信研制團(tuán)隊(duì)通過獨(dú)立自主實(shí)現(xiàn),將全部協(xié)議集成在一片F(xiàn)PGA中,避免了CPU的使用,并且為了最大限度降低由于FPGA資源消耗過大帶來的芯片門數(shù)及功率大幅增加的情況,采用極為有限的資源對(duì)MAC子層、I/O子層、數(shù)據(jù)服務(wù)子層、幀子層、編碼同步子層和物理層進(jìn)行高度集成,對(duì)全雙工、半雙工和單工模式進(jìn)行融合,形成通用型算法結(jié)構(gòu)和靈活控制結(jié)構(gòu),通用型算法結(jié)構(gòu)意味著資源配置最優(yōu),靈活控制結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同模式的靈活切換。具體實(shí)現(xiàn)方式如圖 11所示,解決了傳統(tǒng)深空探測器資源不夠用、協(xié)議自主程度低、模式不靈活、無法適應(yīng)業(yè)務(wù)量變化等問題,使深空探測器具備了通信自主發(fā)起與結(jié)束、雙向高吞吐率無誤傳輸、協(xié)議參數(shù)按需調(diào)整等特點(diǎn),代表了未來深空探測數(shù)字化載荷技術(shù)發(fā)展的趨勢。

為了充分驗(yàn)證CCSDS Proximity-1協(xié)議實(shí)現(xiàn)代碼的測試遍歷度,研制團(tuán)隊(duì)基于用戶使用場景及總體需求,對(duì)每一項(xiàng)功能編制了詳細(xì)的測試用例,如表4所示,保證了協(xié)議每一條分支的100%遍歷。

圖11 協(xié)議架構(gòu)實(shí)現(xiàn)方式Fig.11 The implementation of protocol architecture

表4 測試用例細(xì)則

5 面向火星復(fù)雜環(huán)境的高集成度高收發(fā)隔離產(chǎn)品工程化設(shè)計(jì)技術(shù)

火星探測任務(wù)中,達(dá)到其入軌的燃料消耗遠(yuǎn)大于一般衛(wèi)星,因此對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量提出了極為嚴(yán)苛的要求。為了從系統(tǒng)上降低質(zhì)量,采用收發(fā)共用天線的設(shè)計(jì),從而最大化地降低設(shè)備數(shù)量。

器間通信采用UHF頻段,收發(fā)頻率最近間隔只有20MHz。固態(tài)放大器的輸出功率約為42dBm,接收靈敏度達(dá)到-141dBm,接收與發(fā)射信號(hào)的功率差值在180dB以上?？紤]到頻率間隔小、收發(fā)功率差異極大,因此為達(dá)到收發(fā)共用天線的目標(biāo),最核心的問題便是收發(fā)隔離的設(shè)計(jì)。

器間通信處理器收發(fā)通道鏈路如圖12所示。

針對(duì)典型的具備自動(dòng)增益控制(automatic gain control)的收發(fā)一體鏈路設(shè)計(jì),給出了一種基于最優(yōu)分配準(zhǔn)則的鏈路濾波設(shè)計(jì)方法,以最小的代價(jià)實(shí)現(xiàn)收發(fā)隔離的合理分配。

(1)發(fā)射通道濾波設(shè)計(jì)

接收機(jī)帶內(nèi)干擾主要來自發(fā)射端固放在接收頻點(diǎn)處的噪聲功率以及互調(diào)分量。

圖12 收發(fā)通道鏈路Fig.12 The transceiver channel link

當(dāng)發(fā)射信號(hào)為寬帶調(diào)制信號(hào)時(shí),由于固放通常工作在飽和區(qū),此時(shí)存在器件的非線性特性,通常會(huì)在輸出端帶外引入互調(diào)分量?；フ{(diào)分量的大小與功放的線性度、調(diào)制信號(hào)的功率譜特性等因素相關(guān)。

發(fā)射濾波器(濾波器1)的主要目的是抑制發(fā)射信號(hào)在接收頻點(diǎn)處的互調(diào)分量,以防止對(duì)接收靈敏度造成影響。

濾波器1的參數(shù)設(shè)計(jì)原則需滿足如下準(zhǔn)則:

PJ1-Δ1-Δi<

式中:PJ1為功放輸出端在接收頻點(diǎn)處的噪聲功率以及互調(diào)分量的總和;Δ1為濾波器1在接收頻段處的抑制能力;Δi為接收通道與發(fā)射通道耦合時(shí)的隔離;N0為當(dāng)前設(shè)備工作溫度下的本底噪聲。

(2)接收濾波器設(shè)計(jì)

在接收機(jī)的濾波設(shè)計(jì)中,主要考慮對(duì)接收帶外的干擾。接收機(jī)帶外的干擾主要來自發(fā)射信號(hào)通過雙工器時(shí)對(duì)接收通道的泄露,以及外部天線阻抗不匹配帶來的反射信號(hào)功率:

PJ=PJ2+PJ3

式中:PJ為發(fā)射信號(hào)進(jìn)入接收通道的干擾;發(fā)射信號(hào)通過雙工器時(shí)對(duì)接收通道的泄露可以表示為PJ2;PJ3為外部天線阻抗不匹配帶來的反射信號(hào)功率。

濾波器2的設(shè)計(jì)主要是為了保證進(jìn)入低噪聲放大器(LNA)的干擾信號(hào)不能太大,防止將低噪聲放大器推飽和。因此需滿足如下原則:

當(dāng)干擾通過前端LNA,進(jìn)入模擬AGC前時(shí),功率可表示為:

PJ_AGC=PJ-Δ2+GLNA-Δ3

其中,GLNA為AGC之前電路中放大器的增益。

期望在模擬AGC前端,干擾就已經(jīng)被抑制在低噪之下,否則會(huì)對(duì)模擬AGC的正常工作帶來影響。因此,濾波器3的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足如下原則:

PJ_AGC=PJ-Δ2+GLNA-Δ3<

式中:BW為接收通道帶寬;N0_AGC為AGC模塊入口處的底噪功率譜密度。

(3)收發(fā)隔離設(shè)計(jì)小結(jié)

收發(fā)隔離設(shè)計(jì)的核心是接收濾波器和發(fā)射濾波器的設(shè)計(jì)。上文針對(duì)典型的具備AGC自動(dòng)增益控制的收發(fā)一體鏈路設(shè)計(jì),給出了一種基于最優(yōu)分配準(zhǔn)則的鏈路濾波分配設(shè)計(jì)方法。根據(jù)該方法,本系統(tǒng)最終進(jìn)行了功放帶外低交調(diào)設(shè)計(jì)、接收通道多級(jí)濾波設(shè)計(jì),并采用小型化高隔離度介質(zhì)雙工器的方案,在質(zhì)量、體積盡量小的約束下,實(shí)現(xiàn)了接收與發(fā)射信號(hào)的功率差值在180dB以上時(shí)的雙工指標(biāo)。

(4)產(chǎn)品工程化實(shí)現(xiàn)

天問一號(hào)火星著陸器上搭載了兩臺(tái)UHF頻段通信設(shè)備,分別安裝于進(jìn)入艙和祝融號(hào)火星車中。

位于進(jìn)入艙的UHF通信設(shè)備只在EDL(entry,descent and landing)階段工作,主要用于回傳該階段的遙測信息,考慮到質(zhì)量限制,該設(shè)備不含備份,設(shè)計(jì)質(zhì)量約2kg。

位于祝融號(hào)火星車上的UHF通信設(shè)備,需要在火面長期工作,考慮到可靠性的要求,在設(shè)計(jì)上采用了有源部分主備份、無源部分共用的思路,設(shè)計(jì)質(zhì)量約4kg。

6 在軌應(yīng)用情況

6.1 祝融號(hào)火星車同天問一號(hào)火星環(huán)繞器在軌對(duì)接情況

天問一號(hào)探測器系統(tǒng)全通信鏈路拓?fù)涫疽馊鐖D 13所示,UHF頻段原位中繼通信鏈路主要用于EDL期間著陸巡視器同天問一號(hào)火星環(huán)繞器之間的通信及祝融號(hào)火星車表面巡視階段同天問一號(hào)火星環(huán)繞器之間的通信。

通過本通信鏈路,依次將著陸巡視器進(jìn)入、下降和著陸過程中各分系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、祝融號(hào)火星車第一幅圖像、第一段視頻和后續(xù)海量數(shù)據(jù)回傳至天問一號(hào)火星環(huán)繞器,并成功接收地面站通過天問一號(hào)火星環(huán)繞器轉(zhuǎn)發(fā)的全部指令,為中國首次火星探測的圓滿成功做出了重要貢獻(xiàn)。

圖13 “天問一號(hào)”探測器系統(tǒng)全通信鏈路拓?fù)涫疽釬ig.13 The schematic of “Tianwen-1”communication link topology

(1)EDL階段

本階段著陸巡視器會(huì)經(jīng)歷一系列的動(dòng)作,比如配平翼展開、拋大底、開傘、拋被罩及著陸懸停等,力學(xué)環(huán)境要求異常嚴(yán)苛,通過判讀UHF頻段收發(fā)信機(jī)各關(guān)鍵遙測,產(chǎn)品始終穩(wěn)定工作在信道3、單工收發(fā)狀態(tài)、前向1kbit/s,返向2kbit/s,發(fā)射功率遙測始終穩(wěn)定在42.6～42.8dBm,發(fā)射幀號(hào)按序遞增,各項(xiàng)指標(biāo)均工作正常。

(2)火面巡視階段

天問一號(hào)火星環(huán)繞器的中繼通信軌道為大橢圓軌道,一個(gè)火星日有2次同祝融號(hào)火星車通信的弧段,分別是近火弧段和遠(yuǎn)火弧段,具體如圖14所示。

圖14 天問一號(hào)環(huán)繞器示意Fig.14 The schematic of “Tianwen-1”communication link topology

在遠(yuǎn)火弧段,天問一號(hào)火星環(huán)繞器在大橢圓軌道的遠(yuǎn)端,前向傳輸數(shù)據(jù)為環(huán)繞器轉(zhuǎn)發(fā)的地面遙控指令,反向傳輸數(shù)據(jù)為祝融號(hào)火星車各分系統(tǒng)的遙測信息。以2021年6月2日的數(shù)據(jù)為例,此時(shí)遠(yuǎn)火點(diǎn)距祝融號(hào)火星車的距離約為12500km,由于距離遠(yuǎn)造成信號(hào)電平值的顯著下降,此時(shí),“AGC遙測”數(shù)據(jù)已無法準(zhǔn)確表征前向信號(hào)的電平值,只能通過“信噪比遙測”進(jìn)行判讀,本弧段“信噪比遙測”基本在0x ’13’左右浮動(dòng),也就是說,前向信號(hào)的捕獲靈敏度已逼近-140dBm,解調(diào)靈敏度(1kbit/s)已達(dá)到-134dBm,和UHF頻段收發(fā)信機(jī)設(shè)計(jì)值門限值基本吻合,此時(shí)單機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)均工作正常。

在近火弧段,天問一號(hào)火星環(huán)繞器在大橢圓軌道的近端,返向傳輸數(shù)據(jù)主要為祝融號(hào)火星車采集到的海量圖像信息和探測數(shù)據(jù),以2021年6月3日的數(shù)據(jù)為例,此時(shí)天問一號(hào)火星環(huán)繞器從地平線升起后快速向祝融號(hào)火星車靠近,最近距離約265km,在到達(dá)祝融號(hào)正上方后快速遠(yuǎn)離,直至回落到地平線以下,整個(gè)弧段時(shí)間約10min。

由于天問一號(hào)火星環(huán)繞器和祝融號(hào)火星車在近火弧段相對(duì)位置變化極快,信號(hào)參數(shù)變化劇烈,為了保證最大容量的數(shù)據(jù)傳輸,UHF頻段收發(fā)信機(jī)啟動(dòng)了速率自適應(yīng)切換機(jī)制,實(shí)現(xiàn)了貼著信道最大吞吐量的速率數(shù)據(jù)傳輸。在軌返向速率實(shí)時(shí)遙測值如表5所示,可以看出,除去預(yù)留的3dB保護(hù)余量外,速率自適應(yīng)切換機(jī)制工作正常,并在弧段內(nèi)最大程度的回傳了祝融號(hào)火星車的探測數(shù)據(jù)。

表5 速率自適應(yīng)切換遙測列表

6.2 祝融號(hào)火星車同ESA“Mars Express”環(huán)繞器在軌對(duì)接情況

ESA“Mars Express”環(huán)繞器用于原位中繼通信的設(shè)備為英國QinetiQ公司生產(chǎn)的“Melacom”,其可支持5種工作模式,具體功能如表6所示,最終經(jīng)雙方研制團(tuán)隊(duì)評(píng)估確定,“Melacom”采用“Framed Bit”模式,即在信道0(401.585625MHz)進(jìn)行信號(hào)接收,祝融號(hào)火星車UHF頻段收發(fā)信機(jī)在信道0進(jìn)行信號(hào)發(fā)射。

表6 Melacom具體功能

為評(píng)估中歐雙方探測器之間的可見性,“Mars Express”研制團(tuán)隊(duì)首先確定了其環(huán)繞器與祝融號(hào)火星車物理可見的弧段,并經(jīng)過雙方研制團(tuán)隊(duì)根據(jù)祝融號(hào)火星車的信號(hào)發(fā)射強(qiáng)度和“Mars Express”的信號(hào)接收能力確定了5次對(duì)接試驗(yàn)弧段,其對(duì)接時(shí)間與通信參數(shù)如表7所示。

表7 對(duì)接弧段時(shí)間及信號(hào)參數(shù)

由于2020年新冠肺炎全球大流行的緣故,祝融號(hào)火星車和Mars Express環(huán)繞器原位中繼通信研制團(tuán)隊(duì)未能提前在地面進(jìn)行實(shí)物對(duì)接驗(yàn)證,除此之外,由于“Mars Express”環(huán)繞器在軌期間未曾使用過“Framed Bit”模式,這也是歐空局10年來首次在火星軌道實(shí)際測試“Mars Express”的數(shù)據(jù)盲接收能力。

經(jīng)實(shí)際在軌測試,“Mars Express”環(huán)繞器接收到祝融號(hào)火星車的數(shù)據(jù)后,在其對(duì)地可見弧段轉(zhuǎn)發(fā)給歐空局所屬深空測控站,測控站接收后發(fā)送給歐洲空間操作中心(ESOC),ESOC再轉(zhuǎn)發(fā)至北京航天飛行控制中心,經(jīng)過雙方研制團(tuán)隊(duì)的判讀,中歐火星在軌中繼通信試驗(yàn)取得圓滿成功。

7 結(jié)論

作為火星車大數(shù)據(jù)量中繼的唯一途徑,原位中繼通信技術(shù)意義重大,本文針對(duì)天問一號(hào)火星探測任務(wù)中原位中繼通信技術(shù)的4大技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了理論分析、軟件建模和在軌測試數(shù)據(jù)評(píng)估,其技術(shù)難點(diǎn)及與美國“Electra”系統(tǒng)的指標(biāo)對(duì)比如下:

1)對(duì)于超高靈敏度高動(dòng)態(tài)自適應(yīng)信號(hào)解調(diào)技術(shù),祝融號(hào)UHF頻段收發(fā)信機(jī)接收機(jī)門限為-134dBm(1kbit/s,編碼)、-128dBm(1kbit/s,非編碼),載波門限為-141dBm,頻率跟蹤范圍為±26kHz,±200Hz/s。美國“Electra”系統(tǒng)接收機(jī)門限為-130.8dBm(1kbit/s,編碼)、-126dBm(1kbit/s,非編碼),載波門限為-140dBm,頻率跟蹤范圍為±20KHz,±200Hz/s,祝融號(hào)UHF頻段收發(fā)信機(jī)接收信號(hào)門限更低,頻偏適應(yīng)能力更強(qiáng)。

2)對(duì)于高精度多普勒測量技術(shù),“祝融號(hào)”UHF頻段收發(fā)信機(jī)多普勒頻偏實(shí)測精度為1.6mHz,同理論值吻合,由于未在公開文獻(xiàn)中查到美國“Electra”系統(tǒng)的測量精度,因此無法進(jìn)行對(duì)比。

3)對(duì)于基于CCSDS proximity-1的協(xié)議一體化集成融合技術(shù),祝融號(hào)UHF頻段收發(fā)信機(jī)僅使用1片F(xiàn)PGA完成了全部協(xié)議功能并優(yōu)化改進(jìn),在全自主高可靠的前提下達(dá)到了最大吞吐量。美國“Electra”系統(tǒng)采用FPGA+CPU的實(shí)現(xiàn)方式完成了協(xié)議主要功能的實(shí)現(xiàn),如速率自適應(yīng)切換及ARQ等。祝融號(hào)UHF頻段收發(fā)信機(jī)協(xié)議集成度更高,支持功能更全。

4)對(duì)于面向火星復(fù)雜環(huán)境的高集成度高收發(fā)隔離產(chǎn)品工程化設(shè)計(jì)技術(shù),祝融號(hào)UHF頻段收發(fā)信機(jī)無備份重量為2.3kg。美國“Electra”系統(tǒng)中的輕小型化產(chǎn)品“Electra-lite”無備份質(zhì)量為3kg。祝融號(hào)UHF頻段收發(fā)信機(jī)工程集成度更高。

天問一號(hào)任務(wù)證明了以上關(guān)鍵技術(shù)的先進(jìn)性及工程可靠性,為中國后續(xù)火星采樣返回等相關(guān)深空探測任務(wù)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。