劉 適，李炯卉

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

引 言

自1994年起，美國(guó)先后通過(guò)“克萊門汀號(hào)”（Clementine）環(huán)月探測(cè)器、“月球勘探者號(hào)”（Lunar Prospector，LP）探測(cè)器、“月球勘測(cè)軌道器”（Lunar Reconnaissance Orbiter，LRO）、月球坑觀測(cè)和遙感衛(wèi)星（Lunar Crater Observation and Sensing Satellite，LCROSS）驗(yàn)證了月球兩極存在水冰[1]。國(guó)內(nèi)外研究人員認(rèn)識(shí)到了月球極區(qū)重要的科學(xué)研究?jī)r(jià)值和資源應(yīng)用價(jià)值[2]。

月球極區(qū)探測(cè)已成為當(dāng)前國(guó)際深空探測(cè)的熱點(diǎn)之一，主要的航天大國(guó)、航天機(jī)構(gòu)紛紛啟動(dòng)或開展了月球極區(qū)探測(cè)任務(wù)[3-5]。國(guó)外規(guī)劃中的各類極區(qū)任務(wù)已基本覆蓋各種類地外天體探測(cè)器，包括詳查探測(cè)器、著陸探測(cè)器、巡視探測(cè)器和機(jī)器人等。2019年，美國(guó)進(jìn)一步確定了“阿爾忒彌斯1號(hào)”（Artemis 1）任務(wù)，預(yù)計(jì)在2024年進(jìn)行載人登月。有別于“阿波羅”（Apollo）工程，“阿爾忒彌斯”任務(wù)的目標(biāo)是人類在月球長(zhǎng)期駐留。多器聯(lián)合探測(cè)是系統(tǒng)性、規(guī)模化月球極區(qū)探測(cè)、開發(fā)的必然趨勢(shì)，是人類月球長(zhǎng)期駐留亟需突破的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

目前，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)月球極區(qū)多器聯(lián)合探測(cè)任務(wù)的工程先例，其通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)沒(méi)有可直接借鑒的工程經(jīng)驗(yàn)。相對(duì)于以往的月球探測(cè)任務(wù)而言，多器聯(lián)合月球極區(qū)探測(cè)任務(wù)通信系統(tǒng)更加復(fù)雜，難度也更高，具體表現(xiàn)為：首先，通信系統(tǒng)架構(gòu)更為復(fù)雜，多器聯(lián)合探測(cè)任務(wù)通信系統(tǒng)需要兼顧較高系統(tǒng)可靠性、較低系統(tǒng)開銷、較好系統(tǒng)擴(kuò)展性；其次，信道環(huán)境更為惡劣，月球極區(qū)探測(cè)需要面臨低仰角通信，將導(dǎo)致較為嚴(yán)重的多徑效應(yīng)發(fā)生，同時(shí)，月球極區(qū)表面電特性參數(shù)的不確定性對(duì)通信系統(tǒng)的適應(yīng)性提出了更高要求；再次，信道容量的需求更高，為適應(yīng)月球極區(qū)多器聯(lián)合探測(cè)模式以及新型載荷高數(shù)據(jù)量需求，通信系統(tǒng)信道容量相對(duì)以往任務(wù)有量級(jí)的提升。

本文對(duì)月球極區(qū)探測(cè)任務(wù)通信系統(tǒng)的任務(wù)需求進(jìn)行分析，針對(duì)需求和設(shè)計(jì)難點(diǎn)，提出相應(yīng)的技術(shù)解決途徑。

1 月球極區(qū)探測(cè)通信需求分析

1.1 通信系統(tǒng)架構(gòu)分析

從通信鏈路可靠性、傳輸延時(shí)等角度分析，直接對(duì)地鏈路可有效減少信息傳輸路徑中的節(jié)點(diǎn)，是首選方式。而在月球南緯82°以上的地區(qū)無(wú)法實(shí)現(xiàn)每日均有對(duì)可見，以月球南極極點(diǎn)附近為例，每個(gè)月中只有約半個(gè)月可以保證月面探測(cè)每日均對(duì)地可見弧段，且均有對(duì)地高度角不超過(guò)6.5°。加之月表地形起伏的不確定性，月球南極探測(cè)器對(duì)地可見性相對(duì)于理論分析結(jié)果會(huì)更加惡劣，無(wú)法保證任務(wù)在軌階段能獲得實(shí)時(shí)可用的直接對(duì)地鏈路。綜上所述，月球極區(qū)著陸器必須利用中繼衛(wèi)星，保證其對(duì)地通信。

針對(duì)月球極區(qū)多器聯(lián)合探測(cè)的工作場(chǎng)景，若中繼衛(wèi)星直接為每個(gè)月面目標(biāo)提供中繼服務(wù)，對(duì)中繼衛(wèi)星和通信能力受限的月面通信終端而言，負(fù)擔(dān)都較大?？紤]到，在月面器間通信距離一般相對(duì)于中繼通信距離要短，在同等代價(jià)約束下，其碼速率相對(duì)于中繼通信鏈路高，有利于探測(cè)器輕小型化設(shè)計(jì)。在有限的發(fā)射重量約束下，有利于拓展探測(cè)規(guī)模，獲得更多的科研成果。

在較為理想的通信架構(gòu)中，可將月面通信終端劃分為主節(jié)點(diǎn)和次節(jié)點(diǎn)兩種。一般情況下，中繼星僅為主節(jié)點(diǎn)（如著陸探測(cè)器等大型探測(cè)器）提供中繼服務(wù)，主節(jié)點(diǎn)為周邊次節(jié)點(diǎn)（巡視探測(cè)器等小型探測(cè)器）提供月面器間通信服務(wù)，如圖1所示。這種模型與地面移動(dòng)通信的蜂窩架構(gòu)較為相似，更容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源的最優(yōu)配置。作為主節(jié)點(diǎn)的大型探測(cè)器中繼通信能力要優(yōu)于次節(jié)點(diǎn)，能夠支持較高的通信碼速率，且可保證其不會(huì)成為約束系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐率的瓶頸環(huán)節(jié)。同時(shí)，對(duì)于中繼衛(wèi)星而言，在其日常工作中，僅有一個(gè)或幾個(gè)主節(jié)點(diǎn)接入。相對(duì)于直接為所有節(jié)點(diǎn)提供中繼服務(wù)而言，其系統(tǒng)復(fù)雜度和資源開銷更低，系統(tǒng)擴(kuò)容性更好，更容易實(shí)現(xiàn)中繼衛(wèi)星中繼載荷配置的優(yōu)化設(shè)計(jì)，也更利于提高次節(jié)點(diǎn)通信速率。

次節(jié)點(diǎn)與中繼衛(wèi)星間的中繼鏈路并非沒(méi)有工程價(jià)值。中繼鏈路可以覆蓋月面更大范圍內(nèi)的目標(biāo)，受月面地形遮擋和多徑的影響相對(duì)月面器間通信鏈路小，鏈路可靠性更高。對(duì)于次節(jié)點(diǎn)而言，月面器間通信鏈路與中繼鏈路兩者各有優(yōu)勢(shì)。在重量、功耗以及包絡(luò)尺寸等工程實(shí)現(xiàn)約束允許的前提下，次節(jié)點(diǎn)可配置器間通信和中繼通信設(shè)備，兩者可互為補(bǔ)充，互為備份，提高整個(gè)通信系統(tǒng)的魯棒性。反之，可根據(jù)具體工作場(chǎng)景，擇優(yōu)配置通信設(shè)備。

圖1 月球極區(qū)探測(cè)通信系統(tǒng)架構(gòu)示意圖Fig.1 Communications system diagram for lunar pole exploration probes

1.2 信道環(huán)境條件分析

月球極區(qū)地形較為復(fù)雜，通信過(guò)程中可能存在多徑效應(yīng)，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致通信中斷。對(duì)于低仰角對(duì)地通信鏈路，月面對(duì)無(wú)線電波的反射和散射等作用也將加劇鏈路中的多徑效應(yīng)。此外，在多器聯(lián)合探測(cè)任務(wù)中，在探測(cè)器較為集中的區(qū)域還可能因?yàn)榇嬖诙鄠€(gè)可移動(dòng)人造物體，導(dǎo)致信道環(huán)境更為復(fù)雜。

由于人類對(duì)月球南極區(qū)域未進(jìn)行過(guò)近距離探測(cè)，國(guó)內(nèi)外月球探測(cè)任務(wù)所獲取的月球極區(qū)月表電特性數(shù)據(jù)十分有限。同時(shí)，月表遙感獲取的數(shù)據(jù)無(wú)法有效剝離其它因素的影響，不能直接獲得其電特性參數(shù)的準(zhǔn)確數(shù)值。此外，由于月球極區(qū)可能存在固態(tài)水，導(dǎo)致已獲得的低緯度地區(qū)月表數(shù)據(jù)無(wú)法在極區(qū)探測(cè)任務(wù)中直接使用。無(wú)線電信號(hào)在真空與月表分界面上的邊界條件是月面通信鏈路建模分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，而邊界條件主要由月表的電特性參數(shù)決定。目前無(wú)線電波在月球極區(qū)表面?zhèn)鬏斕匦陨袩o(wú)法精確建模。

月面多器聯(lián)合探測(cè)鏈路較為復(fù)雜，存在多條中繼鏈路和月面通信鏈路同時(shí)工作的情況。此外，隨著探測(cè)器功能的日益復(fù)雜，其自身平臺(tái)與載荷設(shè)備工作也可能引入電磁干擾，在通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中要充分考慮復(fù)雜電磁環(huán)境的兼容性。

1.3 數(shù)據(jù)量需求分析

月球極區(qū)探測(cè)的詳查任務(wù)和中繼衛(wèi)星對(duì)地轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)對(duì)鏈路數(shù)據(jù)量的要求較以往月球探測(cè)任務(wù)要高。

1）月面詳查任務(wù)數(shù)據(jù)碼速率需求

以LRO為例，其窄視場(chǎng)相機(jī)日均產(chǎn)生數(shù)據(jù)量為515 Gbit，寬視場(chǎng)相機(jī)日均產(chǎn)生數(shù)據(jù)量為41 Gbit，微型雷達(dá)日均產(chǎn)生數(shù)據(jù)量為7.7 Gbit。在LRO任務(wù)中，除了S頻段低速上下行鏈路之外，還配置了Ka頻段的高速下行鏈路，其最大下行數(shù)傳碼速率達(dá)到100 Mbit/s，以滿足任務(wù)需求。類比LRO任務(wù)數(shù)據(jù)量需求，考慮到我國(guó)深空站已實(shí)現(xiàn)全球布站，詳查器每日最多有一半的弧段被月球遮擋，我國(guó)極區(qū)詳查數(shù)據(jù)對(duì)地傳輸碼速率要至少滿足10 Mbit/s量級(jí)，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)100 Mbit/s量級(jí)下行數(shù)據(jù)傳輸。

2）中繼衛(wèi)星對(duì)地轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)數(shù)據(jù)碼速率需求

“嫦娥3號(hào)”著陸器與巡視器的下傳碼速率最高速率在1～2 Mbit/s之間。假設(shè)我國(guó)未來(lái)月球極區(qū)探測(cè)任務(wù)中最高有10個(gè)月面目標(biāo)，則中繼衛(wèi)星對(duì)月面目標(biāo)返向鏈路下傳速率應(yīng)至少滿足10 Mbit/s量級(jí)。此外，考慮到未來(lái)月面目標(biāo)智能化操作對(duì)前向鏈路碼速率需求，中繼衛(wèi)星應(yīng)至少具備上行1 Mbit/s的接收能力。

2 月球極區(qū)探測(cè)通信系統(tǒng)鏈路架構(gòu)規(guī)劃

在包含了月球軌道中繼衛(wèi)星、月面詳查器、著陸器、巡視器和移動(dòng)機(jī)器人、宇航員等目標(biāo)的典型月球極區(qū)探測(cè)任務(wù)中，中繼衛(wèi)星主要承擔(dān)月面目標(biāo)與地面之間的中繼轉(zhuǎn)發(fā)。詳查探測(cè)器負(fù)責(zé)月球極區(qū)，特別是候選著陸區(qū)域的詳查工作。著陸器負(fù)責(zé)攜帶巡視器、移動(dòng)機(jī)器人與宇航員等目標(biāo)軟著陸至月面，并開展月面原位探測(cè)任務(wù)。月球極區(qū)探測(cè)通信系統(tǒng)鏈路規(guī)劃示意圖如圖2所示。

圖2 月球極區(qū)探測(cè)通信系統(tǒng)鏈路規(guī)劃示意圖Fig.2 Communications system diagram for lunar exploration

月球極區(qū)探測(cè)期間，中繼衛(wèi)星可與月面目標(biāo)之間建立中繼前向和返向鏈路，并通過(guò)中繼主干鏈路完成月面目標(biāo)與地面之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)工作，上述鏈路組成月球中繼通信網(wǎng)絡(luò)；月面目標(biāo)之間以著陸器為主節(jié)點(diǎn)，搭建月面器間通信鏈路，組成月面通信網(wǎng)絡(luò)。其中，中繼鏈路與月面器間通信鏈路之間組成異構(gòu)備份鏈路，提高系統(tǒng)可靠性。

地面站分別與著陸器、中繼衛(wèi)星和詳查器建立測(cè)控通信鏈路。其中，著陸探測(cè)器對(duì)地測(cè)控通信鏈路主要負(fù)責(zé)著陸月面前的測(cè)控與通信任務(wù)。中繼衛(wèi)星的對(duì)地測(cè)控通信鏈路與中繼主干鏈路可以進(jìn)行合理復(fù)用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)星載資源的優(yōu)化資源配置。詳查器對(duì)地測(cè)控通信鏈路主要負(fù)責(zé)完成自身測(cè)控和詳查數(shù)據(jù)等載荷數(shù)據(jù)的對(duì)地傳輸功能。

考慮到月球極區(qū)詳查器軌道一般選擇月球極軌以滿足任務(wù)需求，同時(shí)，執(zhí)行詳查任務(wù)期間軌道高度需要盡量低以獲得更好的詳查效果，所以，詳查器一般對(duì)于月面各目標(biāo)而言過(guò)頂弧段較短，無(wú)法滿足長(zhǎng)時(shí)間中繼轉(zhuǎn)發(fā)需求，不適宜承擔(dān)中繼通信任務(wù)。但不排除通過(guò)合理的軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)或任務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)，使詳查器可以滿足中繼通信任務(wù)需求，通過(guò)與月面目標(biāo)之間建立中繼鏈路，與中繼衛(wèi)星構(gòu)成互為備份關(guān)系，提高中繼通信網(wǎng)絡(luò)可靠性。這也將造成詳查器任務(wù)設(shè)計(jì)和工程實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性增高。

3 月球極區(qū)探測(cè)通信系統(tǒng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

多器聯(lián)合月球極區(qū)探測(cè)任務(wù)通信系統(tǒng)需要有針對(duì)性地開展多址接入設(shè)計(jì)、高適應(yīng)性鏈路設(shè)計(jì)、高效數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)，以滿足復(fù)雜通信系統(tǒng)架構(gòu)、惡劣信道環(huán)境和高信道容量等任務(wù)需求。

3.1 多址接入設(shè)計(jì)

本文提出的月球中繼通信網(wǎng)絡(luò)和月面器間通信系統(tǒng)均屬于多址接入網(wǎng)絡(luò)。所謂多址接入是指多目標(biāo)用戶的網(wǎng)絡(luò)接入控制，包括信道劃分、分配和能量控制等功能，是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的重要組成部分。合理的接入?yún)f(xié)議設(shè)計(jì)可以保證較高的網(wǎng)絡(luò)利用率和較強(qiáng)的系統(tǒng)可擴(kuò)展性。接入?yún)f(xié)議分為競(jìng)爭(zhēng)、非競(jìng)爭(zhēng)和混合接入3類。

競(jìng)爭(zhēng)接入主要包括基于隨機(jī)訪問(wèn)模式和預(yù)約/沖突處理機(jī)制等兩類。前者代表為Alhoa協(xié)議，采用“想發(fā)既發(fā)，碰撞后隨機(jī)退避重發(fā)”的工作模式，會(huì)導(dǎo)致較高的沖突率；后者的代表是載波監(jiān)聽多路訪問(wèn)（Carrier Sense Multiple Access，CSMA），在IEEE 802.11等協(xié)議中應(yīng)用，其采用信道監(jiān)聽和預(yù)約的方式，來(lái)降低沖突率。其在國(guó)際空間站任務(wù)中得到應(yīng)用，通過(guò)在國(guó)際空間站內(nèi)布設(shè)無(wú)線接入點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)有線網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信[6]。競(jìng)爭(zhēng)接入?yún)f(xié)議接入控制方式靈活，同步要求低，可有效降低月面探測(cè)器對(duì)地面控制手段的依賴。但隨機(jī)訪問(wèn)模式在接入用戶數(shù)量增加到一定程度后將導(dǎo)致較高的沖突率，在月面通信這類相對(duì)較低碼速率傳輸場(chǎng)景中會(huì)明顯影響到帶寬利用率，不宜采用。反之，預(yù)約/沖突處理機(jī)制相對(duì)而言更適于月球極區(qū)探測(cè)任務(wù)，但也僅限于對(duì)傳輸實(shí)時(shí)性要求不高的任務(wù)階段。

非競(jìng)爭(zhēng)接入主要包括頻分多址（Frequency Division Multiple Access，F(xiàn)DMA ）、碼分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）和時(shí)分多址（Time Division Multiple Access，TDMA ）等。通過(guò)通信節(jié)點(diǎn)之間的資源分配機(jī)制來(lái)避免競(jìng)爭(zhēng)。這類協(xié)議往往需要某種形式的集中協(xié)調(diào)機(jī)制。由于其在集中式單跳網(wǎng)絡(luò)中較容易實(shí)現(xiàn)，在航天通信領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在美國(guó)的“阿波羅號(hào)”載人登月任務(wù)中，采用FDMA方式完成登月艙與指令服務(wù)艙之間的中繼通信，以及登月艙（月球車）和出艙航天員之間的月面通信[7-8]；國(guó)際空間站的空?空通信系統(tǒng)是超高頻（Ultra-High Freqency，UHF）頻段TDMA系統(tǒng)，用于空間站、航天飛機(jī)和艙外機(jī)動(dòng)單元之間近距離話音、指令、遙測(cè)等數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)[9]；美國(guó)跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的S頻段多址鏈路（S-band Multiple Access，SMA）采用CDMA方式為用戶航天器提供服務(wù)，用于支持?jǐn)?shù)據(jù)通信，以及用戶航天器的測(cè)距和測(cè)速等功能[10]。非競(jìng)爭(zhēng)接入模式工程實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，鏈路穩(wěn)定性較高，但其所采用的固定方式靈活性和擴(kuò)展性較差。所以，其更適合在對(duì)鏈路實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性要求更高的探測(cè)任務(wù)關(guān)鍵環(huán)節(jié)（如多器分離、探測(cè)器起飛或著陸等）中使用。

混合接入方式是將多種接入?yún)f(xié)議結(jié)合，以彌補(bǔ)單一方式下的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)靈活接入和最大化資源利用率。在月球極區(qū)探測(cè)任務(wù)中，宜采用混合接入方式，在實(shí)時(shí)性要求不高的日常工作階段可采用競(jìng)爭(zhēng)接入方式，由通信系統(tǒng)內(nèi)部自發(fā)調(diào)度信道資源。而在對(duì)鏈路實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性要求更高的關(guān)鍵階段，應(yīng)采用非競(jìng)爭(zhēng)接入方式，確保任務(wù)順利開展，具體操作流程如圖3所示。

圖3 多址接入流程示意圖Fig.3 Diagram of multiple access process

此外，多址接入?yún)f(xié)議可有效支持多探測(cè)器聯(lián)合探測(cè)任務(wù)的開展，增強(qiáng)通信信道控制、調(diào)度的靈活性、實(shí)時(shí)性和可靠性，降低對(duì)地面控制的依賴。對(duì)于器地時(shí)延較大的行星探測(cè)也有較強(qiáng)的工程價(jià)值。

3.2 高適應(yīng)性設(shè)計(jì)

針對(duì)月球極區(qū)低仰角通信信道的不確定性和多器聯(lián)合探測(cè)對(duì)可擴(kuò)展性的需求，通信系統(tǒng)需要具備更高的任務(wù)適應(yīng)性與靈活性。

在月面探測(cè)器間進(jìn)行無(wú)線通信過(guò)程中，傳輸信道中包含真空和月表兩種媒質(zhì)，導(dǎo)致其傳輸特性較其在自由空間中的傳輸復(fù)雜。低仰角通信鏈路的多徑效應(yīng)相對(duì)于自由空間通信鏈路明顯。月面存在巖石、撞擊坑、人造探測(cè)器等障礙物都將成為復(fù)雜多徑環(huán)境的誘因。此外，月球表面存在的不規(guī)則起伏，月表電特性參數(shù)的不確定，以及月面探測(cè)器的移動(dòng)特性等因素都將增大多徑效應(yīng)產(chǎn)生的隨機(jī)性。所以，月面通信系統(tǒng)應(yīng)具備抗多徑能力。而擴(kuò)頻通信、正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）、分集技術(shù)等多種技術(shù)均可有效抑制多徑效應(yīng)對(duì)通信系統(tǒng)的影響。

是器樂(lè)教學(xué)的基本方法，由老師進(jìn)行身傳言教，老師主要講解樂(lè)器的特點(diǎn)，演奏的要領(lǐng)和注意事項(xiàng)，同時(shí)要對(duì)演奏中的姿勢(shì)、指法、呼吸等作示范表演，讓學(xué)生直觀地聽、直觀地看，對(duì)照自己糾正錯(cuò)誤的地方，獲得立竿見影的教學(xué)實(shí)效。以巴烏吹奏時(shí)的指法教學(xué)為例，在教學(xué)過(guò)程中要遵循由淺入深的教學(xué)原則，先讓學(xué)生跟著自己模仿低音so、la、si的指法與吹奏，然后讓他們參照巴烏常用指法表對(duì)do、re、mi三個(gè)音進(jìn)行自主摸索著學(xué)習(xí)，并引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)低音區(qū)與中音區(qū)吹奏時(shí)氣息上有何區(qū)別，循序漸進(jìn)地培養(yǎng)他們的觀察能力和學(xué)習(xí)主動(dòng)性。

考慮到直至月球極區(qū)任務(wù)實(shí)施前，通信信道的不確定性仍可能無(wú)法完全規(guī)避，通信設(shè)備還應(yīng)采用軟件無(wú)線電設(shè)計(jì)，在不變更其硬件的情況下，通過(guò)軟件加載來(lái)適應(yīng)實(shí)際信道情況，通信設(shè)備框架如圖4所示。通信設(shè)備由射頻模塊和基帶模塊組成，射頻模塊負(fù)責(zé)提供射頻通道，完成上下變頻、濾波等功能；基帶模塊負(fù)責(zé)基帶信號(hào)處理、調(diào)制與模?數(shù)/數(shù)?模轉(zhuǎn)換等功能。單機(jī)設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)思路，例如射頻模塊可以根據(jù)單機(jī)設(shè)備使用需求，采用不同頻段通道模塊，并通過(guò)軟件無(wú)線電實(shí)現(xiàn)具體頻率設(shè)置；基帶模塊根據(jù)實(shí)際需求，來(lái)配置對(duì)地通信基帶和（或）中繼/器間通信基帶模塊，并具備在軌軟件更新、升級(jí)能力。

圖4 通信設(shè)備框架Fig.4 Communication equipment frame

軟件無(wú)線電技術(shù)具備以下任務(wù)層面的優(yōu)勢(shì)：

1）有利于增強(qiáng)無(wú)線電設(shè)備對(duì)復(fù)雜任務(wù)需求的適應(yīng)性，月球極區(qū)探測(cè)任務(wù)將為未來(lái)長(zhǎng)期無(wú)人、有人月球探測(cè)提供先期驗(yàn)證或直接作為其中一部分，發(fā)揮重要作用，采用軟件無(wú)線電技術(shù)的設(shè)備對(duì)于通信系統(tǒng)規(guī)模的可擴(kuò)展性、新增性能需求和無(wú)線信道不確定性等方面具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，可充分發(fā)掘無(wú)線電設(shè)備潛力；

2）有利于實(shí)現(xiàn)無(wú)線電設(shè)備硬件平臺(tái)的統(tǒng)一化，月球極區(qū)探測(cè)采用多器聯(lián)合探測(cè)的模式，探測(cè)器需要搭載對(duì)地測(cè)控通信、中繼通信、月面器間通信中的一種或多種無(wú)線電設(shè)備，將同類的無(wú)線電設(shè)備的硬件平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一，可以有效縮短單機(jī)設(shè)備研制周期，降低調(diào)試復(fù)雜性，提高設(shè)備可靠性，有效節(jié)約研制成本；

3）有利于不同月球探測(cè)任務(wù)間合作的開展，不同探測(cè)任務(wù)之間往往采用不同的無(wú)線通信手段，包括不同的數(shù)據(jù)速率、糾錯(cuò)編碼方式以及調(diào)制類型等，在這種情況下，軟件無(wú)線電設(shè)備可通過(guò)對(duì)其重新配置以適應(yīng)不同的信號(hào)特征，實(shí)現(xiàn)不同探測(cè)任務(wù)之間的信息互通，獲取更多的任務(wù)成果，同時(shí)，也可以為未來(lái)潛在的國(guó)際合作提供支持，共同開發(fā)月球資源。

此外，為應(yīng)對(duì)未來(lái)更為復(fù)雜、龐大系統(tǒng)的互聯(lián)互通需求，應(yīng)高度重視提高通信系統(tǒng)智能化程度，降低地面飛行控制人員的學(xué)習(xí)成本和操作復(fù)雜程度，也可為未來(lái)復(fù)雜深空探測(cè)任務(wù)進(jìn)行技術(shù)積累。通信系統(tǒng)智能化可以包括以下幾個(gè)方面：① 具備多探測(cè)器通信設(shè)備自組網(wǎng)能力，可自主建立可靠、高效的中繼與器間通信鏈路，建立合理的入網(wǎng)與退出機(jī)制，實(shí)現(xiàn)信道資源按需分配、動(dòng)態(tài)調(diào)整、充分利用，并具備延遲、中斷容忍能力；② 對(duì)信道質(zhì)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估，對(duì)于突發(fā)鏈路質(zhì)量惡化，能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷，組織鏈路重新建立和重傳，避免全程依賴地面判斷所引入的天地大回路時(shí)延，在提高通信系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)，也有利于月球及更遠(yuǎn)深空探測(cè)任務(wù)中復(fù)雜、密集動(dòng)作的高效執(zhí)行；③ 根據(jù)任務(wù)需求動(dòng)態(tài)調(diào)整通信系統(tǒng)參數(shù)，如碼速率、調(diào)制方式、發(fā)射功率、天線波束等，充分利用信道容量。

3.3 高信道容量設(shè)計(jì)

隨著任務(wù)復(fù)雜性的不斷提高，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率的需求也不斷提高。以月球極區(qū)探測(cè)任務(wù)為例，月面詳查、中繼通信以及工程、科學(xué)載荷等多樣的探測(cè)任務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率的需求，相對(duì)于我國(guó)以往月球探測(cè)任務(wù)更高。我國(guó)月球極區(qū)探測(cè)任務(wù)可采用激光通信和Ka頻段無(wú)線通信手段提高數(shù)據(jù)傳輸速率。

激光通信波束發(fā)散角小、指向性好、功率密度大，具備信道帶寬大、碼速率高等優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，激光通信作為航天任務(wù)的重要信息傳輸手段得到了大力發(fā)展，成為提高深空通信鏈路性能的熱點(diǎn)技術(shù)之一。美國(guó)、歐洲、日本等不僅廣泛開展了空間激光通信鏈路理論研究、關(guān)鍵技術(shù)研究、原理樣機(jī)研制、地面和在軌演示驗(yàn)證等工作，而且還建立了比較健全的檢測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)和配套地面激光通信站。在2013年9月發(fā)射的LADEE（ Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer）探測(cè)任務(wù)中，進(jìn)行了月球激光通信演示試驗(yàn)（Lunar Laser Communications Demonstration，LLCD），對(duì)地通信速率達(dá)到了上行20 Mbit/s，下行622 Mbit/s[11]，展示了激光通信在月球探測(cè)器對(duì)地通信任務(wù)中的巨大潛力。但激光通信也有不足，譬如其在傳輸過(guò)程中受大氣和氣候影響較為嚴(yán)重。同時(shí)，激光通信在我國(guó)深空探測(cè)領(lǐng)域尚無(wú)工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，其編碼與調(diào)制等可以基于無(wú)線電通信的成熟工程基礎(chǔ)，但仍有部分核心技術(shù)需要攻克，如高效、低抖動(dòng)的探測(cè)器，高轉(zhuǎn)換效率的激光器，穩(wěn)定、精準(zhǔn)的捕獲跟蹤瞄準(zhǔn)，以及大氣補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)。由于較高精度的指向性需求，對(duì)于航天任務(wù)測(cè)控通信使用場(chǎng)景，激光是無(wú)法全面替代無(wú)線電射頻通信的。我國(guó)深空探測(cè)領(lǐng)域目前使用的S頻段和X頻段作為測(cè)控通信頻段，以X頻段通信為例，根據(jù)國(guó)際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)（Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS）標(biāo)準(zhǔn)建議[12]，單一任務(wù)占用帶寬最高僅為10 MHz，無(wú)法滿足高速數(shù)據(jù)傳輸需求。考慮到Ka頻段具有更大的信道帶寬（見表1），在我國(guó)月球極區(qū)探測(cè)任務(wù)中宜采用Ka頻段作為高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o(wú)線通信頻段使用，與激光通信鏈路形成異構(gòu)備份。

表1 CCSDS建議對(duì)地下行鏈路通信頻率Table 1 CCSDS frequency allocation for space-earth transmission link GHz

目前，我國(guó)月球探測(cè)任務(wù)主要使用二進(jìn)制相移鍵控 （Binary Phase Shift Keying，BPSK）調(diào)制方式，頻帶利用效率較低。正交相移鍵控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）、高階調(diào)制（如8PSK和16QAM等）以及脈沖成型（如高斯最小頻移鍵控（Gaussian Filtered Minimum Shift Keying，GFMSK）等）是該領(lǐng)域目前技術(shù)發(fā)展的具體實(shí)例。其中，BPSK的理論帶寬利用率為1 bps/Hz，QPSK為2 bps/Hz，8PSK為3 bps/Hz，GMSK效率介于BPSK與QPSK之間。但還沒(méi)有一種技術(shù)可以解決指定應(yīng)用環(huán)境中的所有問(wèn)題，例如高階調(diào)制頻帶利用率最高，但導(dǎo)致接收端解調(diào)門限增加，同時(shí)造成器載功率放大設(shè)備一定的功率浪費(fèi)。在選擇具體的調(diào)制方法時(shí)，必須權(quán)衡多方面的因素，包括通信環(huán)境、碼速率、設(shè)備復(fù)雜度、發(fā)射功率、技術(shù)成熟度和其它約束條件。此外，我國(guó)的月球極區(qū)探測(cè)活動(dòng)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，并提前、積極開展國(guó)際航天機(jī)構(gòu)間溝通與協(xié)調(diào)。在確保系統(tǒng)間兼容工作的同時(shí)，為國(guó)際任務(wù)間交互支持提供可能；針對(duì)現(xiàn)行通信標(biāo)準(zhǔn)中月球探測(cè)方面的尚未明確之處，應(yīng)積極參與國(guó)際協(xié)調(diào)，提升話語(yǔ)權(quán)。

4 結(jié) 論

本文提出了一種多器聯(lián)合月球極區(qū)探測(cè)任務(wù)通信系統(tǒng)方案。該方案基于一套由月球中繼通信網(wǎng)絡(luò)和月面通信網(wǎng)絡(luò)組成的鏈路構(gòu)架，通過(guò)異構(gòu)鏈路互為備份、多中心節(jié)點(diǎn)等方式實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的可靠性與可擴(kuò)展，兼顧了系統(tǒng)內(nèi)的資源優(yōu)化配置?；诙嗥髀?lián)合月球極區(qū)探測(cè)任務(wù)需求分析，針對(duì)通信系統(tǒng)多址接入方式等關(guān)鍵環(huán)節(jié)開展設(shè)計(jì)工作，并給出工程實(shí)施建議，相關(guān)成果可為我國(guó)未來(lái)月球極區(qū)探測(cè)，乃至月面科研站等大規(guī)模長(zhǎng)期駐留任務(wù)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考，具有良好的工程應(yīng)用前景。