柴 霖1，許秀玲

(1.中國西南電子技術研究所，成都 610036；2.西南電子設備研究所，成都 610036)

1 引 言

深空探測集中體現了一個國家的科技水平和綜合國力，不僅具有科學和經濟價值，而且還具有很強的軍事和政治意義。從各航天大國近年來推出的深空探測發(fā)展戰(zhàn)略、規(guī)劃[1]可以清晰地看出，深空探測是21世紀航天領域的發(fā)展重點。

深空測控通信(以下簡稱深空測控)與傳統(tǒng)航天測控相比，顯示出極大的特殊性，其技術要求更苛刻。未來20年深空測控的發(fā)展應在整個航天測控體系框架內進行規(guī)劃，并根據未來深空任務所應具備的能力，制定出技術發(fā)展重點。

文獻[2,3]總結了深空測控的主要關鍵技術，文獻[4]對深空探測通信星際互聯網體系結構進行了初步設想。本文在同行研究的基礎上，對未來20年深空測控體系結構和關鍵技術的發(fā)展進行闡述和分析。

2 深空測控概念辨析

隨著人們對深空研究、認識的深入，國際上相關標準的陸續(xù)推出，深空測控的一些概念正在悄然變化。這些變化體現在概念的內涵和外延上，在一定程度上也昭示了技術的發(fā)展方向。

2.1 深空概念

國際上早期將“月球及以遠”稱為深空，我國官方文件中一直在延用這種概念，例如2006年國務院發(fā)布的《2006年中國的航天》白皮書，就將探月工程列入深空探測范圍[5，6]。但在1988年世界無線電大會上，ITU(國際電信聯盟)規(guī)定“深空是指距離地球大于或等于200萬公里的空間”。CCSDS標準中也明確了200萬公里以下為A類航天任務，200萬公里及以上為B類任務。也就是說，“200萬公里作為深空與近地空間的分界”這個概念已為國際所公認。

但從技術體制上看，探月和深空測控相通之處甚多，國內外都經常將月球與深空測控放在一起討論。因此，出于討論技術問題的方便，本文的深空概念是包含月球的。

2.2 測控通信概念

從2006年美國《2005～2030年NASA空間通信與導航體系結構建議》報告中可以看到，國際上正將傳統(tǒng)的“測控通信”(TT&C and Communication)概念向“通信導航”(Communication and Navigation)概念轉變[7]，房鴻瑞等國內專家已注意到這一趨勢[6]。新概念中“導航”包括傳統(tǒng)的外測跟蹤(Tracking)和GPS定位內容，而“通信”將遙測、遙控、話音、低速數傳、高速數傳都囊括其中。顯然，傳統(tǒng)的“測控通信”已成為“通信導航”的子集。

2.3 深空測控體制概念

傳統(tǒng)的深空測控體制主要是信號的調制體制，例如文獻[8]所述“所謂測控體制是指深空站與深空探測器間上行/下行信道傳送測距、遙控、遙測和探測信息等基帶信號時，如何利用載波以及基帶信號改變(調制)副載波、載波參數的方式和從被改變參數的載波、副載波中提取(解調)基帶信號的方式”。

本文認為，上述可以是測控體制的狹義定義，廣義的深空測控體制應包括信號調制體制、測量體制、深空網絡體制三方面。

3 深空測控的難點

深空測控與近地空間測控最根本的區(qū)別就是一個“遠”字，其它所有種種深空問題實際上都是由“遠”這個特點而衍生的。歸納起來，從任務需求角度深空測控需面對以下4方面主要問題。

(1)信噪比低，動態(tài)大

月球距地最遠40.55×104km，是同步軌道距離(3.6×104km)的11.26倍，鏈路損耗比同步軌道大21.03 dB；火星距地最遠4.013×108km，是同步軌道距離的1 114.72倍，鏈路損耗比同步軌道大60.943 dB。因此，深空站接收的信號非常微弱，這也限制了深空數據傳輸速率。

深空探測器飛行已超過第二宇宙速度(11.2 km/s)，再加上需采用高頻段測控，所以多普勒和多普勒變化率比近地衛(wèi)星要大得多。國外文獻給出，Ka頻段多普勒變化范圍為±1 100 kHz，多普勒變化率為110 kHz/s。

信噪比低和目標動態(tài)大這兩個因素，使得深空測控接收機的設計難度大大提高。

(2)通信時延巨大

近地空間測控雙向時延最多0.24 s，而月球雙向時延達2.72 s，火星為44.6 min，海王星為521.56 min。巨大的空間時延使得深空測控不能沿襲傳統(tǒng)測控的捕獲流程，而且要求遙控指令正確性更高。由于傳輸已是非實時，所以可以采用譯碼時間長但編碼增益很高的Turbo碼，并采用存儲轉發(fā)方式。

(3)連續(xù)測控覆蓋問題

深空探測器飛行時間很長(到達火星要近1年時間)，對探測器的連續(xù)跟蹤測量十分必要。但由于地球自轉，單個地面站只能連續(xù)跟蹤測量8～10.5 h[9]，所以必須多個地面站接力連續(xù)測量。這引起兩個問題，其一，多個深空站國際聯網，其技術體制、協議、接口要兼容；其二，在兩站交接班(Hand-over)的一段時間內要做三向(Three Way)測距、測速[10]，這又要求距離遙遠的兩深空站的時間頻率達到高度同步。

(4)測量精度高，多種跟蹤定軌體制聯合應用

近地衛(wèi)星使用的各種高精度導航手段(如GPS、慣導)中，除了傳統(tǒng)的多普勒測速和距離測量外，其它手段都難以在深空測控中使用(或僅能部分使用)。

最明顯的問題是測角，深空目標距離遙遠而且波束又窄，角度測量“失之毫厘謬以千里”。用傳統(tǒng)的單脈沖比幅測角法，測角精度最多達到0.001°，即3.6″(17 476 nrad)(20世紀80年代，日本64 m天線和德國30 m天線將天線座的測角精度提高到0.001°，基本上達到物理極限)。若觀測目標的視夾角小于天線的3 dB波束寬度時，單脈沖方式測角已不能滿足目標的定位要求。因此，對于深空遠距離目標，傳統(tǒng)A、E、R測量體制已不適用，需轉而采用干涉儀體制用比較相位來測角。

干涉儀測角之所以能提高測角精度，一是因為它是依靠測距來換算出角度的，而測距能夠達到很高的精度，并且測距誤差與被測量距離的長短無關；二是因為干涉儀的基線越長，測角精度越高，因而可用增加基線長度的方法來換取測角精度。目前，甚長基線干涉儀(VLBI)已成為深空測角的主要手段，其各種改進方法(ΔVLBI、CEI、SBI等)也都受到各航天大國的密切關注和研究。

4 深空測控體系結構的發(fā)展

4.1 構建空間通信導航新體系結構

體系結構定義為一個系統(tǒng)的各組成單元及其相互作用，以及將用來控制為了提供某一能力而作的開發(fā)的方針和原則[7]。

NASA在《2005～2030年NASA空間通信與導航體系結構建議》報告中，對未來空間探測任務的通信與導航體系結構進行了規(guī)劃。深空探測是其中的主要部分，如圖1所示。

圖1 NASA由單元和橫向結構組成的通信與導航體系結構

這一新的空間通信與導航體系結構由地基單元、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絡、安全、射頻頻譜、導航結構組成。其導航結構前面已提到過，相當于將自主導航(主要是GPS衛(wèi)星導航)和外測均包含在內。頻譜結構實際上就是反映了深空測控向Ka頻段和毫米波頻段發(fā)展的趨勢。安全結構是為需要數據安全的用戶提供若干可供選擇的數據保護業(yè)務，包括加密和認證。

筆者認為這個新體系結構中意義重大、影響最深遠的應該是“網絡結構”。網絡結構的本質是測控通信的信息傳輸由傳統(tǒng)的點對點專線方式轉向基于IP技術的網絡化方式，構建空間因特網。4個物理單元通過一體化的網絡結構緊密連接在一起，充分利用了目前地面所使用的互聯網技術，并將其擴展到整個太陽系，每個航天器都是網絡中的一個節(jié)點，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。

網絡結構最大的特點就是引入信息交換協議[11]，使得測控通信網絡支持分組交換，可以進行配置，以克服現有的點對點通信的不足。在點對點通信中，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現容錯保護。

值得注意的是，地面Internet采用的基于傳統(tǒng)的確認/重傳過程的TCP協議不適合應用于深空通信中[4]。TCP協議假定傳輸延遲很小，上下信道對稱，重傳效率低，系統(tǒng)吞吐量隨著往返延遲、信息丟失率增加而降低，這些特點都不適用于深空通信的操作環(huán)境。當然，經過改造(TCP欺騙技術、TCP劃分、Web緩存、增大初識窗口等)后的TCP協議也并非完全不能用。一般認為，目前CCSDS中的CFDP(CCSDS File Delivery Protocol)協議和集束協議更符合深空測控通信的特點[4]。

關于空間Internet傳輸協議是一個需求旺盛、很有潛力的的研究課題，研究的最終目標并不是建立深空網或航天測控網專用協議即可，而是想把空間Internet與地面Internet相兼容。建立一種既滿足航天測控通信傳輸時延大、信號電平弱、信道噪聲大、多普勒頻移大、空-地通信中斷頻繁等特殊要求，又充分發(fā)揮Internet端到端能力強、高層協議功能完善和標準化等優(yōu)勢的天地一體化網絡[6]。

4.2 深空測控標準的制定和發(fā)展

國內尚沒有專門的深空測控標準，某些相關內容分散在國軍標(GJB)航天測控各標準中。在國外，有ISO(國際標準化組織)、CCSDS(空間數據系統(tǒng)咨詢委員會)、ECSS(歐洲空間標準化合作組織)、NASA(美國國家航空航天局)等組織對深空測控制定了不同程度和范圍的標準。文獻[6]對以上各國外標準的分類、涵蓋內容進行了歸納。

總體來看，關于深空測控的標準，ISO和NASA系列都不全面，而且NASA主要還是參照CCSDS，ECSS系列，影響力較小。從完善性、可靠性、權威性上看，CCSDS系列最優(yōu)。因此，我國深空測控通信標準的建設，還是應以CCSDS為主要參考。

5 深空測控技術及技術體制的發(fā)展

要想提出深空測控未來的技術發(fā)展重點，必須認清未來深空任務所應具備的能力，需拓展哪些新能力，需提高哪些已有能力。筆者認為需具備以下6項能力：

(1)高數傳速率：不斷提高的數傳速率是驅動深空測控技術發(fā)展的重要動力，因為它的發(fā)展能滿足空間探索和航天任務的各種需求；

(2)低接收信噪比：隨著科學探測向深空領域的不斷深入，如何接收越來越低信噪比的信號是另一個永恒的主題；

(3)高測量精度：測量精度的不斷提高，可以支撐和推動航天器向深空的不斷探索；

(4)降低成本：成本決定了深空探測的開展規(guī)模和持續(xù)時間，超高成本的科學探索項目不可能永無止境地被資助；

(5)提高靈活性：深空測控系統(tǒng)的容錯能力、可重組能力、可維修能力也需列入未來深空網建設議事日程；

(6)自主導航能力：自主導航對任何一種航天器都有極大的吸引力，GPS和INS不適用于深空航天器，并不意味著我們在深空自主導航領域可以停滯不前，仍需積極研究新的適合于深空的自主導航技術。

圍繞以上6項能力，本文建議深空測控未來20年，應對以下10個技術領域進行重點研究。

5.1 拉格朗日點深空測控

根據天體力學研究成果，在地月系統(tǒng)和地球太陽系統(tǒng)中各存在5個拉格朗日平衡點L1～L5。拉格朗日點是兩個大天體所組成的運動系統(tǒng)中的受力平衡點，位于該點的物體受萬有引力和軌道運動的共同作用而處于平衡狀態(tài)。天文學又稱這5個點為“秤動點”，形成一條弱穩(wěn)定區(qū)走廊。

以地月系統(tǒng)為例，在L1～L5點上的航天器只要達到一定速度就能克服地月引力和轉動坐標系影響，留在走廊里，既不會脫離地月系統(tǒng)，也不會被地球、月球捕獲。提供小的速度增量，航天器可以在弱穩(wěn)定區(qū)內巡回。如果提供高的速度增量，航天器可飛出弱穩(wěn)定區(qū)，脫離地月系統(tǒng)進入深空[4，13]。

利用拉格朗日點放置中繼星、天文望遠鏡，或進行交會對接、建立星際航行基地，都是非常好的、有技術可行性的深空探測方案。

5.2 新測量體制的發(fā)展

如前所述，基于深空測控的特殊性，各國一直在發(fā)展一些新的測量體制，主要是集中在干涉儀測量領域，從最早的VLBI，發(fā)展到ΔVLBI(包括ΔDOR、ΔDOD)、CEI、SBI技術。VLBI和ΔVLBI技術已在我國工程上成功應用，CEI和SBI也正在演示試驗中。下一步更具誘惑力的是空間VLBI技術，即在月球或空間拉格朗日點建一個VLBI端站，與地球的VLBI端站構成大尺度的VLBI系統(tǒng)，利用天地長基線達到高精度測量目的，測角精度有望達到0.01 nrad。

5.3 上行天線組陣

小口徑接收天線組陣已成為未來深空下行鏈路的發(fā)展方向，NASA建立了不同規(guī)模的下行天線陣，在執(zhí)行深空任務中取得了成效[14]。天線陣靈活、可靠，規(guī)模可變、可擴展，這種概念對上行鏈路和下行鏈路都有效。上行發(fā)射陣列的主要需求在于提供高的EIRP值來支持更高的上行數據率，以及提供控制指令到增益非常低的天線，這種低增益天線的情況經常出現在飛行器緊急情況。上行發(fā)射陣列的優(yōu)勢首先在于可以較小的成本提供需要的EIRP，并且可以支持同時多任務；其次是安全性較高，因為大天線大功率發(fā)射，在一定范圍內的通量密度可能會超過人體和飛船可以承受的極限。

上行天線組陣與一般的相控陣發(fā)射系統(tǒng)在原理上是類似的，基本概念是將從各個不同的天線發(fā)射的信號延遲適當地相位和時間，使得在目標處的信號得到加強。但上行天線組陣在工程的實現上要求較高，目前研究的熱點在于該技術在深空應用的可行性以及相位校準方法。

用于近地的上行鏈路組陣技術在國外已得到驗證[7]，但在深空任務中實現要困難得多。深空目標距離遙遠，陣列中各天線上空的氣象狀態(tài)也不同。所以，要想調整各天線信號延時和相位，使發(fā)射信號在深空目標處準確對齊到毫米級精度，其難度是非常大的。

5.4 深空測控高功放技術

無論飛行器還是地面站，深空測控高功放技術都有巨大的發(fā)展?jié)摿?。其中重點將集中在Ka頻段，希望能研制出飛行器載百瓦級、地面10 kW級Ka頻段發(fā)射機，這將使數傳速率獲得百倍以上的提高。

5.5 空間大型天線技術

飛行器載輕型可展開式大天線技術，如網狀和可膨脹天線，是極大提高數傳速率的又一途徑。國外已有口徑12 m的可展開網面天線用于商業(yè)航天，但頻段較低。未來將研制Ka頻段網面天線，而可膨脹天線作為更前沿的技術也將得到重視和發(fā)展。

5.6 深空激光統(tǒng)一測控技術

激光載波統(tǒng)一系統(tǒng)是指利用激光作為信息載體，實現飛行器軌跡測量、地面站與飛行器之間上行控制信息、下行遙測信息與有效載荷測量信息傳輸的測量通信一體化系統(tǒng)。

激光和射頻信號均為電磁波，但激光比射頻頻率高4～5個數量級。常用于通信的激光頻率為1.9×1014～5.6×1014Hz，對應波長為536～1 579 nm，這使得以激光作為載波信號的測控通信系統(tǒng)具有測量精度高、信息傳輸速率高(國外星間激光通信實現了5.5 Gbit/s速率)、不占用無線電頻譜資源、抗干擾能力強、保密性好和設備體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)勢，具有廣闊的技術發(fā)展前景。

但激光測控易受氣象條件、天光地影影響，難以做到全天時、全天候工作。另一個主要技術難點是光束發(fā)散角極小，對飛行器和地面角度捕獲跟蹤帶來困難。但采取相應技術措施后，一旦突破這些技術難題，激光測控必將帶來測控技術發(fā)展的一次飛躍。

5.7 深空X射線自主導航

航天器自主導航具有極其重要的工程實用價值和軍事戰(zhàn)略意義。一方面，航天器自主導航將大大減輕地面測控系統(tǒng)的工作負擔，減少測控站的布設數量，降低航天器(星座)的運行管理和維持費用；另一方面，在敵對環(huán)境條件下，自主導航的航天器減少了對地面測控系統(tǒng)的依賴，可增強其自主生存能力。

脈沖星是高度穩(wěn)定的X射線天體源，將這些信源用作自然導航信標，有足夠的可重復性和可預見性[15]，因此可用來產生航天器位置、速度和時間的完整導航解，從而實現深空航天器自主軌道控制和運行管理。

5.8 高頻段天線標校測試技術

高頻段天線系統(tǒng)遠場條件十分苛刻，建設相應的標校塔經常是不現實的。利用射電源標校對天線口徑又有嚴格限制，對于較小口徑的高頻段天線，射電源流量密度無法滿足天線標校要求。我國高頻段衛(wèi)星資源十分缺乏，所以利用衛(wèi)星標校也很困難，必須盡快尋找有效的高頻段天線標校測試手段。

5.9 在軌可編程用戶終端技術

深空探測任務的長期性，對實現深空測控飛行器用戶終端在軌可編程、可配置提出了要求。在同一任務過程中需要根據不同任務剖面實現不同的功能，也需要實現對用戶終端的在軌可編程。

5.10 高效編譯碼技術

構造出符合深空測控特點、編譯碼復雜性低、逼近香農極限的信道編譯碼是深空測控通信的重要研究內容，而且信道編譯碼技術與傳輸協議息息相關。對傳輸速率要求的不斷提高，大大增加了編譯碼實現的難度，也使CCSDS推薦的Turbo碼受到挑戰(zhàn)，因為其譯碼復雜度高、占用資源大。

噴泉碼是一種很有前景的適合深空的編碼方式[16]，因其具有不需要反饋信道、只需前向鏈路的特性，能夠簡化或省略通信協議中的握手過程，縮短文件傳輸的時延。深空通信的距離遙遠和誤碼率大的特點，使得傳輸中的誤碼超出傳統(tǒng)前向糾錯(Forward Error Correction, FEC)的能力，以及深空鏈路易中斷的特點，都會造成接收端丟包率很大。而噴泉編碼只要接收到的數據包個數N與源文件K個數據包滿足一定關系，就能夠恢復出整個文件，這決定了它不需要頻繁的重傳和確認過程，因而能夠提高傳輸效率。另外，它具有的能夠以任意概率逼近香農極限的特點，有利于降低接收系統(tǒng)對于信噪比的要求。深空信道的長、變時延、信道非對稱、誤碼率高、鏈路易中斷的特點完全符合噴泉編碼提出的研究背景[4]。

6 結束語

深空測控通信是航天測控領域最重要的發(fā)展方向，集中了多項高精尖技術，不僅是測控通信領域的前沿，而且很多技術也是信息領域的前沿，所以完全可以說深空測控代表了人類向茫茫宇宙挑戰(zhàn)的決心和成果。未來20年是深空測控大發(fā)展的時代，認識其特點和難題，建立體系框架，理清發(fā)展思路，是航天測控從業(yè)人員必須履行的責任。

本文是筆者的粗識拙見，愿拋磚引玉，與同行專家們商榷，共同為我國深空測控事業(yè)貢獻力量。

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