載人登月測控通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

劉云閣

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

1 引 言

隨著科技的進(jìn)步以及空間競爭的需求,月球因其空間和資源優(yōu)勢將成為下一個全球競爭的熱點(diǎn)[1]。

從1969年美國“阿波羅11號”成功實(shí)現(xiàn)首次載人登月,經(jīng)過30多年的相對沉寂之后,國際社會又紛紛傳出各種版本的新登月計(jì)劃,新世紀(jì)掀起了一波競相登月的新浪潮。

俄羅斯計(jì)劃在2015年派載人飛船登陸月球[2];歐洲航天局(ESA)計(jì)劃在2020年將宇航員送上月球;日本政府設(shè)定目標(biāo),在2020年之前將一名宇航員送上月球;印度也希望能在2020年前實(shí)現(xiàn)登月。

2004年1月,當(dāng)時(shí)的美國布什總統(tǒng)宣布了雄心勃勃的探月新構(gòu)想,其主要目標(biāo)之一就是在2015～2020年實(shí)施載人登月。為了安全和增加運(yùn)載能力,美國重返月球計(jì)劃采用新的發(fā)射方式[3]。融入人貨分運(yùn)的思想,將載人探測飛行器“獵戶座”與月球登陸器先分別發(fā)射至近地軌道,然后在太空將“獵戶座”與月球登陸器和上一級奔月運(yùn)載火箭飛離地球級通過交會對接后一同進(jìn)入奔月軌道。因此,對探測飛行器“獵戶座”與月球登陸器的高精度測量和控制技術(shù)將是決定交會能否實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵,其間大容量的數(shù)據(jù)傳輸是必不可少的。

2010年2月,美國總統(tǒng)奧巴馬公布的預(yù)算提案已沒有NASA重返月球計(jì)劃所需經(jīng)費(fèi)。美國放棄NASA重返月球計(jì)劃[4]的決定卻為其它國家敞開了一道門,也使中國成為了這一輪登月競賽中最有力的競爭者。

中國已啟動以“繞”、“落”、“回”3個步驟的探月工程以及“登”、“駐”、“用”三步走戰(zhàn)略的登月工程計(jì)劃,預(yù)計(jì)2025～2030年間實(shí)現(xiàn)載人登月[5]。

登月工程的實(shí)施,需要有一套完善的測控與通信網(wǎng)絡(luò)才能有效地保障各步驟的順利開展。“阿波羅”任務(wù)主要由NASA載人航天測控網(wǎng)地基的USB測控站提供支持,NASA深空測控站作為備份。美國重返月球計(jì)劃采用了新的發(fā)射方式,測控系統(tǒng)要適應(yīng)交會對接、大容量數(shù)據(jù)傳輸、高測控覆蓋率的要求,其規(guī)劃也呈現(xiàn)出新的特點(diǎn)。國內(nèi)也正在進(jìn)行載人登月工程及其測控通信系統(tǒng)的論證。

2 美國載人登月測控通信系統(tǒng)的發(fā)展

2.1 “阿波羅”工程

“阿波羅”載人登月工程的測控與通信主要依賴于依靠NASA載人航天測控網(wǎng)(MSFN)S頻段統(tǒng)一載波系統(tǒng)(USB)完成。該網(wǎng)由全球布局的測控站組成,支持近地段、地月轉(zhuǎn)移入軌段、返回再入段的測控通信;NASA深空網(wǎng)提供應(yīng)急測控通信支持。

“阿波羅”任務(wù)時(shí)期的USB測控系統(tǒng)由10個9 m USB站、3個26 m USB站、一個9 m USB活動站、5艘測量船和8架測控飛機(jī)組成。NASA深空網(wǎng)由3個26 m站和一個64 m深空站組成。其中9 m USB用于近地段的測控通信,26 m USB用于地月轉(zhuǎn)移以及在月球附近的測控通信。后續(xù)任務(wù)則對整個網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模進(jìn)行了縮減,主要是縮減了測量船和測控飛機(jī)的數(shù)量,保留了1艘測量船和4架測控飛機(jī)。

“阿波羅”載人登月工程利用地基測控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對飛船的跟蹤、測距、遙測、控制,并實(shí)現(xiàn)話音和視頻信號的傳輸。充分利用了S頻段在空間的低損耗,以適應(yīng)地球軌道以及登月過程的測控與通信,但由于帶寬的限制,其視頻圖像采取了慢掃方式(Slowscan Television)。

“阿波羅”任務(wù)的測控通信包括在飛行階段的USB天地測控通信(包括語音、數(shù)據(jù)和電視)、月面著陸后著陸艙的USB對地測控通信、著陸艙與軌道艙的VHF語音和數(shù)據(jù)通信、軌道艙對地的USB測控通信、航天員與著陸艙之間的VHF語音和數(shù)據(jù)通信,以及航天員之間的VHF語音通信。

2.2 美國重返月球計(jì)劃

21世紀(jì)載人登月任務(wù)與之前的“阿波羅”項(xiàng)目不一樣,當(dāng)年模糊的影像將會被彩色高清影像所替代,地月之間的通信會變得清楚和頻繁,這對測控通信鏈路提出了更高的要求。

2006年5月12日,美國NASA空間通信體系結(jié)構(gòu)工作組(SCAWG)提交了名為《2005～2030年NASA空間通信與導(dǎo)航體系結(jié)構(gòu)建議》的研究報(bào)告,對近期以及未來空間探測任務(wù)的通信與導(dǎo)航系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了規(guī)劃,其中也包含了對月球探測與登月任務(wù)的相關(guān)內(nèi)容。

該工作組總結(jié)了NASA現(xiàn)有空間通信體系結(jié)構(gòu)的不足,在NASA現(xiàn)有能力的基礎(chǔ)上,考慮了從現(xiàn)有能力向未來體系結(jié)構(gòu)過渡的成本以及可行性等因素,提出了新的體系結(jié)構(gòu)[6],如圖1所示。

圖1 NASA通信與導(dǎo)航體系結(jié)構(gòu)Fig.1 Communication and navigation system configuration of NASA

這一新的空間通信與導(dǎo)航體系結(jié)構(gòu)由地基地球單元、近地中繼單元、月球中繼單元、火星中繼單元4個物理單元部分和相互交迭的網(wǎng)絡(luò)、安全、射頻頻譜、導(dǎo)航結(jié)構(gòu)組成。4個物理單元通過一體化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)緊密連接在一起。其提出的一體化結(jié)構(gòu)充分利用了目前地面所使用的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù),并將其擴(kuò)展到了整個太陽系,使空間用戶可以順利地從一個單元無縫過渡到另一個單元。

在該體系結(jié)構(gòu)中,分配給月球往返地球的鏈路工作于37～38GHz和 40～40.5GHz的頻段,實(shí)現(xiàn)任務(wù)數(shù)據(jù)和操作數(shù)據(jù)的傳輸。當(dāng)遇到雨衰時(shí),額定的每秒數(shù)百兆比特的數(shù)傳速率可以降低到1Mbit/s或更低進(jìn)行傳輸,這樣可以在37.75GHz頻率上提供高達(dá)27dB的雨衰余量。同時(shí),對地球站站址的選擇需考慮相應(yīng)的雨衰問題,以保證系統(tǒng)的可用性。

在NASA登月通信導(dǎo)航體系結(jié)構(gòu)中,載人登月通信與導(dǎo)航系統(tǒng)主要包括月球月面用戶到月球中繼衛(wèi)星(LRS)的Ka/S頻段前、返向鏈路,月球中繼衛(wèi)星到地球的Ka頻段前、返向主干線鏈路,Ka頻段和S頻段地基測控通信網(wǎng)以及月面終端(LCT)[7]組成的通信網(wǎng)絡(luò),如圖4所示。

圖2 NASA登月通信導(dǎo)航體系結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Communication and navigation system configuration of NASA for Human Lunar Mission

在登月器進(jìn)入月球軌道以及在月球表面活動期間,在地基網(wǎng)可視范圍內(nèi)時(shí),月球表面的用戶以及軌道飛行器可通過S/Ka頻段鏈路直接與地球建立測控與通信鏈路,也可通過月球中繼衛(wèi)星經(jīng)地月主干網(wǎng)實(shí)現(xiàn)測控通信。LCT通信網(wǎng)絡(luò)提供月球前哨基地廣域網(wǎng)及信標(biāo)。月球中繼衛(wèi)星[8]可實(shí)現(xiàn)月面用戶或月球軌道飛行器到月球基地站的通信中繼,也可實(shí)現(xiàn)與地球地基測控系統(tǒng)的中繼轉(zhuǎn)發(fā),擴(kuò)大地基地球單元對登月過程以及月面活動的測控通信覆蓋率。

NASA登月通信導(dǎo)航體系結(jié)構(gòu)中采取多鏈路途徑與地球建立通信業(yè)務(wù):初期目標(biāo)是通過直接對地(DTE)鏈路和一顆月球中繼衛(wèi)星,遠(yuǎn)期目標(biāo)是通過直接對地(DTE)鏈路和兩顆月球中繼衛(wèi)星。對于月球表面的業(yè)務(wù),前哨基地站的數(shù)據(jù)通過LCT傳送到其它登月用戶,或通過DTE或LRS傳送到地球。

該體系結(jié)構(gòu)提出的最大理念就是準(zhǔn)備引入TCP/IP,使得測控通信網(wǎng)絡(luò)支持分組交換,可以進(jìn)行配置,以克服其目前太空網(wǎng)絡(luò)(Space Network)只能使用比特服務(wù)(Bit Services)提供點(diǎn)對點(diǎn)通信的不足。在點(diǎn)對點(diǎn)通信中,每個通信路徑比較固定,缺乏靈活性。分組交換支持的可配置性概念,使得通信變得非常靈活和容易實(shí)現(xiàn)容錯保護(hù)。

在登月器發(fā)射階段,在地球軌道以及奔月軌道中,主要由地球地基測控通信網(wǎng)和NASA天基網(wǎng)進(jìn)行測控通信。NASA已為月球勘測軌道器(LRO)計(jì)劃在白沙建設(shè)18 m口徑天線的S/Ka頻段的地基測控通信站(白沙站,WS1,具有18m天線)[9],完成對LRO任務(wù)的常規(guī)操作業(yè)務(wù),采用26GHz的Ka頻段實(shí)現(xiàn)100 Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸率。在LRO發(fā)射段和初始月球軌道機(jī)動段,除WS1以外,還將使用NASA天基網(wǎng)、深空網(wǎng)(DSN)和商業(yè)S頻段地面站。一旦航天器安全抵達(dá)月球軌道,主要的測控支持由WS1及商業(yè)S頻段站提供,DSN用于緊急需要情況下的支持。

3 我國載人登月測控通信系統(tǒng)的發(fā)展設(shè)想與建議

3.1 研究現(xiàn)狀

國外載人登月任務(wù)的特點(diǎn)是登月方式相對比較簡單,而對運(yùn)載火箭的要求很高。美國“阿波羅”登月計(jì)劃以及前蘇聯(lián)登月計(jì)劃采用的方案分別是一次性將登月有效載荷送入奔月軌道和環(huán)月軌道,美國重返月球計(jì)劃采用的是近地軌道交會對接一次的方式。

國外的這些載人登月方案對于我國目前的國力等條件似乎都不理想,中國的載人登月究竟采用什么方式需要有自己的創(chuàng)新。我國運(yùn)載系統(tǒng)近期的研究結(jié)論是我國載人登月將采取多次發(fā)射地球軌道交會對接或月球軌道交會對接的方案[10]。不論采取何種方案,為了保障登月飛行器以及航天員的安全,都需要一套完整、可靠的測控通信系統(tǒng)及應(yīng)用方案來保障工程的順利實(shí)施。載人登月的測控與通信系統(tǒng)必須具有極高的測控與通信覆蓋率,需要采取多種手段實(shí)現(xiàn)地球網(wǎng)對登月器的高覆蓋率,包括地面站組網(wǎng)、地球天基組網(wǎng)以及建設(shè)月球中繼衛(wèi)星系統(tǒng)等措施。

針對我國航天測控通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀,“嫦娥一號”工程利用“USB+VLBI(甚長基線干涉測量技術(shù))”聯(lián)合測軌的方法來實(shí)現(xiàn)對飛行器的測控通信[11],并達(dá)到了要求的定軌精度。首先,是提高USB測控系統(tǒng)的能力,在USB測控系統(tǒng)中的兩個站新建了大天線,改善了以往用于地球衛(wèi)星天線的信道余量,提高了測量精度,增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性,使地面站作用距離從地球范圍延伸到月球范圍。其次,是在航天測控領(lǐng)域引入了天文測量技術(shù),將間隔數(shù)百乃至數(shù)千公里的口徑較小的射電望遠(yuǎn)鏡合成為巨大的綜合口徑望遠(yuǎn)鏡,稱為甚長基線干涉測量技術(shù)(VL-BI),提高了分辨率[12]。在“嫦娥二號”工程中增加了X頻段的測控站,進(jìn)一步提高了深空測控能力。

對于載人登月階段大容量的數(shù)據(jù)傳輸、更高軌道覆蓋率以及更高精度定位需求,僅僅依靠改造的USB系統(tǒng)以及相應(yīng)的VLBI技術(shù),再加上X頻段的深空測控已無法完全滿足,必須建立具有寬帶傳輸能力、具有更高精度的、覆蓋整個地球到月球軌道的寬帶測控通信鏈路。

3.2 發(fā)展路線設(shè)想

與我國“登”、“駐”、“用”三步走的載人登月計(jì)劃相對應(yīng),我國載人登月測控通信系統(tǒng)可以采取三步走的技術(shù)途徑,滿足各個階段的需求:

第一步,目前有效的解決方案是建設(shè)用于載人航天和登月工程、兼容USB系統(tǒng)以及地基地球中繼體制的S/Ka頻段地面測控網(wǎng),增加大口徑天線、相控陣天線及天線組陣系統(tǒng),與已有的USB、UCB、深空站、天基系統(tǒng)形成天地基一體化的地球地基測控通信網(wǎng),保障與登月器、月球軌道飛行器以及月面用戶連續(xù)不間斷的測控與通信;

第二步,建設(shè)月球軌道中繼衛(wèi)星,在此基礎(chǔ)上可建立地球到月球中繼衛(wèi)星的Ka頻段為主、激光鏈路為輔的寬帶主干線,保障登月器進(jìn)入月球軌道之后以及用戶在月面活動期間地球站對其的測控與通信覆蓋率,逐步實(shí)現(xiàn)Ka頻段鏈路和激光鏈路并存,在應(yīng)用上相互補(bǔ)充、相互支撐的兩條月地互聯(lián)寬帶主干線;

第三步,進(jìn)一步建設(shè)、完善月球網(wǎng),主要包括月球?qū)Ш脚c中繼通信衛(wèi)星星座、月球表面無線通信網(wǎng)絡(luò)和月球基地導(dǎo)航著陸系統(tǒng)等,月球表面無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的月球通信終端站實(shí)現(xiàn)月面用戶的無線網(wǎng)絡(luò)接入,并與月球中繼衛(wèi)星以及地球網(wǎng)建立S/Ka頻段的測控與通信鏈路。

3.3 體系結(jié)構(gòu)建議

為了達(dá)到以上各階段的目標(biāo),應(yīng)在補(bǔ)充完善地球網(wǎng)陸海基USB、UCB(C頻段統(tǒng)一載波系統(tǒng))以及天基測控通信網(wǎng)的同時(shí),盡快實(shí)現(xiàn)S/Ka頻段寬帶測控通信系統(tǒng)(包括大口徑拋物面天線系統(tǒng)以及相控陣天線系統(tǒng))的建設(shè),利用Ka頻段帶寬寬、可支持高速數(shù)傳的特點(diǎn)[13],為月地主干線以及月球用戶的直接對地的測控、通信以及導(dǎo)航奠定技術(shù)基礎(chǔ),逐步地進(jìn)行各環(huán)節(jié)的建設(shè),最后形成完整的、支持載人登月各階段任務(wù)的測控、通信與導(dǎo)航體系。完整的體系結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。

圖3 我國載人登月測控通信系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)建議Fig.3 Suggestion of Communication and navigation system configuration for China′s Human Lunar Project

S/Ka頻段大口徑拋物面測控通信系統(tǒng)適用于地球站對月球軌道航天器及月面用戶建立寬帶測控通信主干鏈路,X頻段深空站及天基系統(tǒng)作為提高主干鏈路測控通信覆蓋率的補(bǔ)充;S/Ka頻段相控陣測控通信系統(tǒng)與USB、UCB等共同構(gòu)建陸海基測控通信網(wǎng),適用于登月飛行器在地球軌道以及地月轉(zhuǎn)移軌道等對地球站具有高動態(tài)特性飛行階段的高覆蓋、實(shí)時(shí)測控通信鏈路的建立。拋物面和相控陣的S/Ka頻段測控通信系統(tǒng)在體制與信號形式上完全兼容,只是根據(jù)登月飛行器的不同應(yīng)用階段實(shí)現(xiàn)大動態(tài)與低動態(tài)、寬帶應(yīng)用與窄帶實(shí)時(shí)控制的相互補(bǔ)充,可靠地構(gòu)成覆蓋整個登月過程的測控通信寬帶鏈路。

載人登月工程測控通信系統(tǒng)體系的建立,需要在系統(tǒng)體制、新技術(shù)應(yīng)用等多方面得到發(fā)展、創(chuàng)新和應(yīng)用,必將大大提高我國飛行器測控通信領(lǐng)域的技術(shù)水平,拓展系統(tǒng)應(yīng)用能力和空間覆蓋范圍,從而推動我國航天事業(yè)對近地空間以及外層空間探測的進(jìn)一步發(fā)展。

4 結(jié)束語

本文對載人登月工程的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顟B(tài)進(jìn)行了簡述,分析了國外月球探測及載人登月通信導(dǎo)航體系結(jié)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢,提出了適應(yīng)載人登月工程測控通信系統(tǒng)的發(fā)展建議和初步思路,而要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo),還需要針對具體的技術(shù)途徑與方法開展一系列新技術(shù)及關(guān)鍵技術(shù)的研究與突破,結(jié)合我國近地軌道載人航天、月球探測工程,進(jìn)行相關(guān)的驗(yàn)證試驗(yàn)。

[1] 韓鴻碩,蔣宇平.各國登月計(jì)劃及載人登月的目的與可行性簡析(上)[J].中國航天,2008(9):30-33.HAN Hong-shuo,JIANG Yu-ping.Human lunar scheme,aim and feasibility of various country(PartⅠ)[J].Aerospace China,2008(9):30-33.(in Chinese)

[2] 吳小寧,劉斌.俄羅斯2006～2030年載人航天發(fā)展規(guī)劃[J].導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù),2007(2):18-23.WU Xiao-ning,LIU Bin.Russian Manned Space Development Program for the Period of 2006～2030[J].Missile and Space Vehicle,2007(2):18-23.(in Chinese)

[3] 龍樂豪.我國載人登月技術(shù)途徑探討[J].前沿科學(xué),2008,2(4):29-37.LONG Le-hao.Discuss on technique approach for human lunar project of our country[J].Frontier Science,2008,2(4):29-37.(in Chinese)

[4] 奧巴馬砍掉重返月球計(jì)劃[J].中國航天,2010(3):32-35.Obama cut scheme of return lunar[J].Aerospace China,2010(3):32-35.(in Chinese)

[5] 陳斌.中國最早2025年載人登月[J].前沿科學(xué),2009,3(2):96.CHEN Bin.China will start human lunar project no early than 2025[J].Frontier Science,2009,3(2):96.(in Chinese)

[6] 2005～2030年NASA空間通信與導(dǎo)航體系結(jié)構(gòu)建議(最終報(bào)告)[R].張紀(jì)生,等,譯.北京:跟蹤與通信技術(shù)研究所,2007.NASA′s communication and navigation system architecture in years from 2005 to 2030(Final Report)[R].Translated by ZHANG Ji-sheng,et al.Beijing:Institute of Tracking and Communication Techniques,2007.(in Chinese)

[7] James Schier.NASA′s Lunar Space Communication and Navigation Architecture[C]//Proceedings of the 26th International Communications Satellite Systems Conference.San Diego,CA:AIAA,2008:54-76.

[8] Kul B Bhasin1,Anthony W Hackenberg,Richard A Slywcza k.Lunar Relay Satellite Network for Space Exploration:Architecture,Technologies and Challenges[C]//Proceedings of the 24th AIAA International Communications Satellite Systems Conference.San Diego,California:AIAA,2006:53-63.

[9] Stephen F Currier,Roger N Clason.NASA Ground Network Support of the Lunar Reconnaissance Orbiter[C]//Proceedings of the 9th International Conference on Space Operations.Rome,Italy:AIAA,2006:1-5.

[10] 龍樂豪.關(guān)于中國載人登月工程若干問題的思考[J].導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù),2010(6):1-5.LONG Le-hao.On Issues of China Manned Lunar Exploration[J].Missile and Space Vehicle,2010(6):1-5.(in Chinese)

[11] 于莘明,李華澤.“嫦娥”是怎樣被測控的[J].科技長廊,2007(23):30-32.YU Zi-ming,LI Hua-ze.How Chang-E is TT&C[J].Modern Science,2007(23):30-32.(in Chinese)

[12] 王宏,董光亮,胡小工,等.USB-VLBI綜合確定SMART-1環(huán)月探測器軌道[J].測繪科學(xué),2008,33(1):40-42,67.WANG Hong,DONG Guang-liang,HU Xiao-gong,et al.Joint Orbit Determination for SMART-1 with USB-VLBI[J].Science of Surveying and Mapping,2008,33(1):40-42,67.(in Chinese)

[13] 劉嘉興.再論發(fā)展Ka頻段測控通信網(wǎng)的思考[J].電訊技術(shù),2008,48(12):90-97.LIU Jia-xing.Rediscussion on the Consideration of Developing Ka TT&C Communication Network[J].Telecommunication Engineering,2008,48(12):90-97.(in Chinese)