| 词条 | 深空网 |
| 释义 | § 深空网 深空探测是指对月球和月球以远的天体和空间进行的探测，对实施深空探测的航天器进行测控通信的系统称为深空测控通信系统，它包括深空测控通信地面站和空间应答机两大部分。行星探测始于20世纪50年代末，美国和苏联/ 俄罗斯是行星探测的主要力量，它们通过发射无人行星探测器对太阳系内行星进行了大量的探测，极大地提高了对太阳系的认识程度。近些年来，深空探测再次成为航天技术发展的热点。目前，美国、欧洲航天局和俄罗斯等国家和组织已经建立了深空测控系统或测控网。 法国、意大利和印度等国也在计划建立自己的深空站（DSS），用于对深空探测器进行测控。 深空探测的难点是遥远距离的测控通信。由于深空探测器升空后与地球之间的唯一联系就是深空测控通信系统，因此该系统在深空探测中起着非常重要的作用，负责科学数据和遥感数据的传送，对深空探测器进行跟踪并指挥其执行重要任务。 由美国喷气推进实验室（JPL）管理的深空网（DSN）是一个先进的测控网，是为了对执行月球、行星和行星际探测任务的航天器进行跟踪、导航与通信而建立的地基全球分布测控网，可以提供双向通信链路，对航天器进行指挥控制、跟踪测量、遥测，以及接收图像和科学数据等。 § 发展概况 美国DSN建于 1 9 5 8年。5 年来，DSN已发生了很大的变化，不仅扩展了规模，更重要的是在技术和性能上有了极大的提高， 遥测接收能力从开始的8 bit/s增加到几十甚至几百兆比特每秒。其首要任务是尽可能多地接收探测器发回的数据，因此需要在任何时期都尽可能采用最先进的技术，以不断提高通信链路的性能。其中，提高频率、增强航天器发射机的功率及采用更大直径的天线是最直接的方法，此外还包括采用低噪声接收机、提高天线效率、改进编码技术、改进调制和检测系统。目前，DSN还利用天线组阵技术来提高接收远距离探测器信号的能力。 DSN由位于美国加利福尼亚的戈尔德斯敦、澳大利亚堪培拉和西班牙马德里的3 个地面终端设施组成，相互之间经度相隔约120度，这样可以在深空探测器的跟踪、测量中提供连续观测和适当的重叠弧段。每个地面终端设施至少包含 4个DSS，并且每个DSS都配有高灵敏度的接收系统、大功率发射机、信号处理中心和通信网络系统等。它具体包括:一副直径为3m的高效天线；一副直径为 3m的波束波导天线 ( 在戈尔德斯敦有3 副) ;一个由4副直径为 1m天线组成的天线阵;一副直径为 7m的天线。利用天线组阵技术可以接收更多来自深空探测器的数据，7m直径天线和 3m直径天线组阵可使数据接收能力提高2%以上。 DSN的70m天线子网包含 3副 70m直径天线，它们分别位于加利福尼亚戈尔德斯敦的DSS 一14，澳大利亚堪培拉附近的DSS 一43 ，西班牙马德里附近的DSS 一63 。所有天线都具有L 、S和X频段的接收能力以及 S 、X频段的发射能力。DSS 一14还拥有一个金石太阳系统雷达( GSSR ) ，它不仅可以工作在正常的接收频段上，还可以作为 Ka 频段 (22GHz) 接收馈源，用来进行射电天文观测。 DSN的34 m天线子网包含3副34m直径的高效天线，它们分别位于加利福尼亚戈尔德斯敦的DSS 一15 ，澳大利亚堪培拉附近的DSS 一45 ，西班牙马德里附近的DSS 一6 5 。除了跟踪测量探测器，34m天线子网还能用于甚长基线干涉测量 ( VLBI 和射电源观测。) 20世纪90年代中期，美国为DSN建造了新的34m直径波束波导天线。该天线采用一系列微波反射面，从发射器表面将能量引导到主结构下受控的一个焦点上。天线在原理上没有新发展，只是使用成型的主反射器和副反射器来增加孔径效率，不过采用新结构和材料使G/T值更加优化了。而且， 调节反射器的精度能使其工作在Ka频段。这一天线的电子设备均置于地下室中，高频前端设备可放在地面之上，底座中的旋转椭圆反射面可使微波能量对准几个前端设备中的一个，这样，DSN可以轻易地扩展到更高的频率，而不会增加传统天线中已不堪重负的卡塞格伦聚焦区的能量。 所有的DSS都是由各自深空设施的信号处理中心远程控制。该中心通过电子系统控制天线指向，接收并处理遥测数据，传输指令和生成航天器导航数据。所有数据在各自的深空设施经过处理后，被传送到JPL进行进一步处理，然后通过现代地面通信网络发送给各个科研团队。 以DSN现在的体系结构，使用大直径天线已不能有效满足美国航空航天局( NASA )未来任务需求 ( 灵敏度和导航) ，而且其维护和运行费用过于昂贵，因此可使用可靠性和性价比高、规模可变的小直径天线组成的天线阵来满足增长的需求。天线阵可以同时服务于几个任务，提供满足每一项任务要求的天线直径。进一步来说，这些小天线相对于大天线来说拥有显著的商业化支持并拥有较长的生命周期。12m天线阵的设计至少包含400副天线，相当于提供等效直径为240m的大天线或者在X频段上比7m直径天线能力提高120倍。子天线阵可以为几个探测器提供理想的直径。在太空中不同地方的多个航天器或者太空中相距近的1个探测器都能够利用天线阵的高灵敏度。DSS 采用由4副12m直径天线组成的单收 ( 无上行)阵来支持计划于2008 年10月发射的机器人月球探测计划 ( RLEP ) 的首个任务— “月球勘测轨道器”( LRO ) 。在 “ 谁使用谁投资”的思想指导下，天线阵会不断增大以满足需要，预计2020年将会实现由40副天线组阵。 § 未来发展规划 2005 年以来，DSN最主要的变化在于26m天线子网的退役和12m天线阵安装的开始。2005 一2030年，根据深空任务下行数据的传输要求，预计传输速率增长到10e6量级。为了满足这种快速增长的需求，必须采用一系列测量方法和新的技术手段。 面临未来深空任务的挑战，新一代的DSN建设分为两大部分:一是建设深空主干网，包括现有DSN全面升级至Ka频段，布设由数百副天线组成的天线阵，开展光通信技术研究，开发高效率深空通信设备和建设月球、火星卫星通信网络等;二是研发与这个主干网相配套的工具和技术，包括提供多任务运行控制的操作系统、软件和标准，创新的任务操作概念和更高级的深空任务设计、导航技术和用户工具等。通过二者的结合，最终建设一个行星际的网络。其具体的安排是:在:在2010 年实现大于40Mbi t/s 的高速数据传输，开展光通信演示验证;利用天线阵支持美国2018年重返月球的计划；应用光通信技术，实现2020年行星自动探测器l000 Mbi t/s 的高速数据传输，并在增强光通信性能后支持2030年载人火星探测计划。 为了满足 NASA及其他航天局任务迅速增加的需要，JPL制定了一系列发展计划，其重点放在优化结构，以及在预算不断削减的情况下降低操作维护费用、提高服务能力。目前，JPL正在实施下述4项主要计划。 改造现有DSN DSN中的TT &C设备正在进行大范围的升级和技术改造，以提高系统性能，并实现数据存取和交互支持的接口标准化。尽管未来DSN的发展主要依赖新的技术、方法，但仍要立足于现有DSN并充分利用其能力。 首先，延长70m直径天线的寿命。70m直径天线是从 64m直径天线扩展而来的，其关键结构部件的承重增加了38 %。目前，它已服役30多年，比正常的设计寿命多出了近20年，设计利用率为25%，但实际达到了8%。为了提高DSN的能力，并对70m直径天线提供备份，计划在每个DSS 建造4 个由34m直径波束波导天线组成的天线阵，共包括12副天线，以提供70m等效直径及性能。但截至2005年，只建造了6副这样的天线，其中戈尔德斯敦3副，马德里2副，堪培拉1 副。JPL的专家建议在堪培拉再建造1 副34m直径波束波导天线，使每个站至少拥有2 副这样的天线，以互相提供K a 频段的备份能力。 其次，高速数据传输的需求驱使DSN实施Ka频段改造计划。改造34m和70m直径天线， 使其具备Ka 频段遥测下行链路能力，这样在不建造新天线的情况下可使下行链路能力在原有基础上增加4倍。 甚大规模天线阵 为满足未来数传速率不断增加的要求，一个方案是建造34 m或70 m直径天线，一种更经济的方案是利用大量小直径 ( 10米级)天线组阵。利用后一种方案可以将 DSN下行链路能力提高2 ~3个数量级，从而大大提高深空任务返回的科学数据量;可以接收更加微弱的信号，从而降低航天器上通信系统的质量和功率;将单位数据的成本降低2个数量级;与太阳系以外的航天器也可以进行高速数据通信。 NASA计划在南半球和北半球的2个或3 个不同经度位置上布设甚大规模天线阵。每个天线阵由数千副天线组成，设置地点要避免潮湿多雨的气候对Ka 频段造成的大气传播损耗，同时要提供很长的、相互垂直的基线以产生差分单向测距数据。 该甚大规模天线阵计划的具体目标是:到2008 年，使天线阵的直径等效于2 . 8 副 7 0m直径天线；到2020年，以负担得起的投人将DSN的信号接收能力提高100 一500倍。 深空光学通信网 能将数据传输速率提高几个数量级的另一种方法是采用光通信。在光通信中，信息通过激光和望远镜传输，性能更高，而且能使航天器上的通信设备更轻巧。 光学空一地链路的地球端有地基和天基两种实现方案，但目前更倾向于前者。在地基方案中，采用几个 10m直径的望远镜接收深空信号。而且，对光通信望远镜的性能要求远比成像望远镜的低，因此成本也低得多。由于采用带脉冲编码调制的直接探测方法，因此只需要确定光子的到达时间。 在地基方案中，望远镜的部署方法有两种。第一种称作 “线性分散光学子网”( LDOS ) ，即沿地球一周等间距布设6 ~8个光学望远镜，这就需要NASA建立新的测站和基础设施。第二种方法称作 “集群配置光学子网”(CDOS)，在每个站上布设3 个10m直径光学望远镜，全球共9个。 天基方案是在中、高地球轨道上部署光学望远镜。由于空间减少了3dB的大气信号衰减，因此光学望远镜的直径减至7m左右。但天基站的成本是地基站的8倍，而且只能同时支持一个目标。 目前，光通信方案还处在概念研究阶段。JPL已建立了光学通信技术实验室，并研发出了l m直径光学望远镜样机进行试验。从长远来看，JPL将在大多数深空任务中采用光通信，以支持无法用射频通信满足的高速数据传输任务。 建立火星网— 星际因特网 NASA的火星童子军计划 (MSP )正在开发由火星轨道上的通信及导航卫星星座组成的火星网，用来支持未来火星探测中的通信和导航需要。该网络由低成本小卫星及火星中继卫星组成，也是星际因特网最先实现的部分。作为DSN的扩展，该网络必须能够支持各种不同的用户，包括已规划的任务和尚未出现的任务概念。火星网对用户的支持必须是高效的、大量自主的，以满足用户数量不断增加的需要。该网本身的操作也是以一种高效、自主的方式进行。 NASA于2006年3月取消了建造“ 火星通信轨道器” ( MTO)的计划，这一火星的通信卫星原定绕火星轨道飞行，并可作为未来飞行任务的中继站。它原计划安装专门用于远程通信的激光装置，并且将把火地之间的数据传输速率提高 1倍。MTO计划使用红外激光取代目前使用的无线电波，以极大增强从火星轨道向地球的数据传输能力，其通信速率可达1 ~3 Mbit /s 。 测控通信技术还在不断向前发展，它的一个重要方向就是走向深空。在测控领域内，深空测控技术一直处于技术发展的最前沿，牵引着测控通信技术的发展。我国探月工程的启动是深空探索的第一步，标志着我国深空探测的开始。随着我国经济和科技实力的不断增强，进一步开展深空探测，开展对火星、小行星和其他太阳系内行星的探测，将成为我国未来深空探测的目标。尽早建成我国的深空测控通信系统，还需要对一系列国内尚未突破的关键技术进行科研攻关，并开展一定的国际技术合作，使其在技术性能上基本达到国际水平，实现与国际联网。. |
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