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【NASA】NASA现有火星中继网络以及未来火星同步轨道中继卫星概念

时间:2018-10-10 来源:郝云丰

1 前言

NASA现有的火星中继网络由多个火星轨道器(NASA的“奥德赛”火星探测器(ODY)、火星勘测轨道器(MRO)和“火星大气与挥发物演化”(MAVEN)探测器以及欧洲航天局(ESA)的“火星快车号”(MEX)轨道器)组成,它们已经在向多个火星着陆器,包括火星探索探测器(“勇气”号和“机遇”号)、“凤凰”号着陆器以及火星科学实验室(MSL)的“好奇”号探测器,提供通信中继服务。当前的火星通信中继能力基于运行于UHF频段(390~450MHz)的临近链路(proximity link)和低增益准全向天线。

对于这些火星任务而言,采用中继通信好处巨大,包括可大大提高来自火星表面的返回数据量,降低通信成本以及实现关键事件高速工程遥测,然而目前这些轨道器都远远超出了其初始设计寿命,并且每个太阳日(Sol)只能向特定火星表面用户提供数十分钟的通信中继时间。

而未来载人火星任务将需要超高数据率和可靠的中继服务,因此NASA喷气推进实验室(JPL)研究人员提出了工作于火星同步轨道(大约17030千米)的可提供连续通信和导航服务的未来火星中继卫星概念。


2 现有火星中继网络

目前,NASA和欧洲航天局的一系列轨道器运行在火星轨道,它们能够向火星表面用户提供中继通信服务和额外的临近链路服务。这些服务大致可分为:

前向数据服务:通过火星中继网络(MRN)轨道器将来自用户任务运行中心(MOC)的数据传输至用户任务航天器;

返回数据服务:通过火星中继网络轨道器将来自用户任务航天器的数据发送至用户任务运行中心。

时间关联服务(Time correlation service):测量用户任务航天器时钟相对于MRN轨道器时钟的授时偏差,最终支持用户任务时钟与世界协调时(UTC)的同步;

跟踪与导航服务:收集用户任务航天器的无线电观测数据(闭环多普勒和/或开环IF采样),对这些数据进行后处理可实现导航功能,并获得用户任务航天器的位置和速度数据。

NASA可支持火星通信中继任务的现有火星轨道器包括“奥德赛”火星探测器、火星勘测轨道器(MRO,2005年发射)以及“火星大气与挥发物演化”(MAVEN,2013年发射)探测器。“奥德赛”火星探测器和MRO目前在向火星表面的“机遇”号和“好奇”号提供通信中继支持,而MAVEN已经演示了其具有通信中继功能,等到它完成其主要科学任务后,便可以开展通信中继服务。此外,发射于2003年的ESA“火星快车”轨道器也仍将用作备份中继资产,该轨道器每年都会与NASA的火星车进行多次中继演示,以确认其中继有效载荷的健康状况和保持通信中继的能力,并且它还已经用于支持“凤凰”号登陆器和火星科学实验室在进入、下降以及登陆(EDL)阶段的跟踪任务。ESA的ExoMars/TGO轨道器(发射于2016年3月14日)除了执行主要科学任务意外,还携带有由NASA提供的中继有效载荷,该轨道器将很快开始为NASA的“机遇”号和“好奇”号探测器提供通信中继。最终,它将每周提供多次数据中继连接。

所有上述科学轨道器都携带有UHF中继收发信机,采用CCSDS Proximity-1空间链路协议。MRO、MAVEN以及TGO都搭载有NASA的Electra UHF收发信机,这种软件定义无线电的数据率达到2048kbps,而“奥德赛”搭载有Cincinnati Electronics(CE)-505收发信机,最高数据率为256kbps,“火星快车”则搭载了QinetiQ Melacom收发信机,最高数据率为128kbps。每一个轨道器都集成有一部“下视”低增益UHF天线,火星表面用户集成有一部固定式“上视”低增益UHF天线,实现简单中继通信。

通过在科学轨道器上加装中继有效载荷初步实现火星中继基础设施是一种非常经济实用的方法,但其中继性能有所欠缺。更为重要的是,这些航天器的轨道选择通常是基于其科学任务目标,例如“奥德赛”、MRO以及ExoMars/TGO轨道器都选择轨道高度为300~400千米的低火星圆轨道。这种低火星轨道斜距较短,可在链路两端通过低增益UHF天线实现较高数据率,但负面影响是与火星表面的特定用户之间通信会时断时续,且通信时间较短。

目前MRO携带的Electra-轻型UHF收发信机拥有最先进的中继能力,用于向“好奇”号火星车提供的中继服务。这种缩减版的Electra收发信机设计用于资源受限的登陆器环境。在第一年的火星表面工作中,“好奇”号火星车通过MRO的UHF中继服务向地球返回了149Gb的数据,每次中继的平均数据量为227Mb。超过75%的MSL的遥测数据通过MRO返回,而剩余的25%几乎全部由“奥德赛”完成。

表1给出了当前所有五个轨道器通信中继能力的比较。分析假设向位于“盖尔”环形山的“好奇”号火星漫游车提供中继支持。对于低火星轨道器(“奥德赛”、MRO以及ExoMars/TGO)而言,每个太阳日有平均2.1~2.6次通信联系机会,平均每次持续时间约为7~10分钟。而高椭圆轨道器(MEX和MAVEN)分别能够提供平均每次124分钟和84分钟的过顶时间,但每个太阳日也只有平均2.0~2.5次通信联系机会。

当前火星中继轨道器的主要特性

此外,NASA还在探索利用立方星执行火星进入、下降和着陆(EDL)阶段的通信中继功能。2018年5月5日,NASA利用“宇宙神”-V火箭成功发射“洞察”号火星探测器,同时该火箭上还搭载了两颗主要用于通信中继的立方星。这两颗立方星被共同命名为“火星立方星一号”(Mars Cube One或MarCO),将被送入地火转移轨道。当“洞察号”进入火星大气层时,这两颗太阳能供电的立方星将作为关键的数据中继星。如果没有这两颗立方星,“洞察”号的数据将通过火星侦察轨道器(MRO)进行中继,可能会产生一个多小时的延迟,因为火星勘测轨道器同时接收和发射信息的能力有限。MarCO将扮演“专属”数据中继的角色,专门向NASA提供关于“洞察”号着陆的提示信息。两颗星都使用一种称之为“反射阵列”的平面天线,将信息传输至地球。两颗立方星在“洞察”号向火星表面降落的过程中,在距离火星表面约3500千米处飞越火星,并且它们必须将天线指向正确的方向,以便将数据传送回地球上的深空网(DSN)。


3 火星同步轨道中继卫星

当前的火星中继网络只能提供较为短暂的间歇式中继通信机会,而未来的火星同步轨道中继卫星则能够向火星表面用户提供连续高带宽中继覆盖,将颠覆人类的火星探索概念。火星同步轨道高度约为17030千米,大大低于35786千米的地球同步轨道高度。在火星同步轨道,中继卫星能够观测到火星半球的大部分区域。

火星同步轨道在支持火星低轨轨道器方面有明显高度优势,并且火星同步轨道中继卫星能够为小型低成本立方星或者微卫星火星轨道器提供使能能力,从而使这些卫星摆脱大型高增益天线负担以及通过远距离直接到地球链路将科学数据返回到地球所需的高传输功率。此外,火星同步轨道中继卫星还将能够支持对火卫一和火卫二的探索活动。

然而为了在火星同步轨道上实现高数据率中继链路,必须采用更高增益定向链路,以补偿更大的临近链路斜距。如果只是简单将MRO搬移至火星同步轨道,当前能够以2Mb/s数据率支持“好奇号”和MRO之间链路的全向UHF天线只能实现kb/s级别的数据率,空间损耗将增高约1000倍。空间损耗的增高可采用更高增益定向链路补偿,但由于指向精度要求高,会增加用户成本。

而类似在火星极地地区着陆的火星“凤凰号”这样的探测器,它们可能无法接入火星同步轨道中继卫星,只能接入一个高倾角的科学轨道器或者其他中继轨道器,然后由这些轨道器选择将数据通过交叉链路传送至火星同步轨道中继卫星或者直接传送至地球。

未来能够提供全火星覆盖的火星中继网络可能由下列组合组成:(1)一颗火星同步轨道中继卫星和一个低火星轨道轨道器(如专用的通信轨道器或者科学轨道器),向极地和远端用户提供通信链路;(2)三颗倾角足够大的火星同步轨道中继卫星。两种组合都能够将中继网络扩展至火星极地地区,实现火星全覆盖,并能够增强中继网络的冗余和鲁棒性。

图1 未来火星通信与导航体系结构概念

火星同步轨道中继卫星的通信中继有效载荷不仅需要经过飞行验证,而且其新型通信组件设计提供未来所需的先进能力。激光通信技术目前已经在近地和月球环境成功演示,并且近期准备在行星任务中进行演示,而火星同步轨道中继卫星的临近链路未来也将采用激光通信。



3.1RF中继链路设计


实现火星同步轨道中继卫星通信能力的关键是在链路的两端使用窄波束高增益天线。高增益天线可以采用喇叭、抛物面或者阵列形式,并且需要加装一个有一定重量和复杂度的转向机构,还需要知晓航天器的方位和位置等信息。目前,航天器高增益天线转向和定向技术已经相对成熟。火星表面单元考虑采用10~30厘米的抛物面天线(以将用户负担降至最低),而火星同步轨道中继卫星采用尺寸为1米的抛物面天线。假设X波段的天线口径效率为65%,Ka波段的天线口径效率为60%,天线指标见下表。

抛物面天线指标

安装在登陆器或者火星车上的UHF全向天线常常会出现寄生耦合现象,而寄生耦合会造成全向天线计划外的+/-3dB增益变动,并且对于已登陆单元,又会额外出现+/-1dB(这一数字根据登陆器的方位有所变化)的增益变化。对于固定数据率的中继链路而言,解决这一问题的方法通常是将运行数据率降低两个数量级。与此类似,全向天线非常容易受到来自火星表面的多径反射的影响。在大多数MSL-MRO中继中,可以观测到由于多径信号阻塞而造成的一个或者多个信号中断事件。在大多数情况下,X波段和Ka波段抛物面天线能够消除寄生耦合和多径效应。

抛物面天线有极化隔离度较高的优点,这样就有可能同时支持两个火星登陆单元。高速率中继链路选择X波段和Ka波段进行数据中继在硬件和运行方面有一定的优势。深空网X波段RF链路的上行和下行频率通常分别选择7.2GHz和8.4GHz,而Ka波段RF链路的上行和下行频率分别选择34.5GHz和32.0GHz。

中继链路与直接到地球(DTE)链路通过一个简单的RF开关矩阵实现两个双频X/Ka转发器的共享。通信子系统的设计重量为42kg,功率为250w,能够同时支持中继和DTE链路。如果一个转发器或者一个X波段TWTA出现故障,子系统仍能够以分时模式支持中继和DTE链路工作。注意,Ka波段只在火星到地球方向支持中继和DTE链路,这样就能够以最高数据率将科学和工程数据回传至地球。

由于可连续实现到火星同步轨道中继卫星的链路,任何一种可控高增益天线链路每天都能将大量的数据中继至地球,数据量远超当前MRO所能提供的数据量。基于每天两次时间较短的通信窗口,中继轨道器目前能够提供约600Mb/sol的数据中继通信能力,而火星同步轨道中继卫星速率最高的Ka波段链路用不到10秒钟的时间内就可将相同数据量中继到地球。



3.2光学中继链路设计


从火星表面资产到火星同步轨道器之间的光通信临近链路能够提高数据返回量,同时还能保持较低用户负担。在光学系统设计中,当给定用户负担后,必须考虑火星大气衰减和均衡复杂性,以优化系统性能。火星同步轨道中继卫星考虑使用低复杂度和低用户负担的收发信机,目标重量约5~10kg,功率在44~56W之间。

光学中继链路将采用自主链路捕获概念,前提是火星表面终端会在视野范围内“盯着”中继卫星。火星中继卫星光学通信终端将进行圆锥形扫描,应对火星表面用户终端的位置不确定性,而火星表面用户的探测器在扫描过程会探测到980nm激光器的闪光。探测到的闪光经过处理后可用于修正用户终端的指向误差。当信号光斑接近视场中心点时,808nm激光器开启,这样中继卫星的光学终端就可以探测到上行链路激光,两个光学终端就可以协调对准并开始通信。

光学中继链路主要是利用一个波长为808nm的激光发射器,其衰减与一个波长为880nm的低复杂度光收发信机相当。目前在近地环境已经利用每比特12~14个光子实现了0.5~1Gb/s的数据率。更高的性能可能需要更高的复杂度,而用户负担也相应增加。为了支持未来火星上的有人任务,需要对复杂度和性能间的权衡进行研究。

光学临近链路能力



3.3其他中继服务考虑


(1)服务调度

对于当前覆盖能力较低的低火星轨道轨道器而言,地理空间分散的登陆器的中继通信时间都较短,并且彼此之间不会出现冲突,因此相应的中继调度也相对简单,只需要参照未来轨道器飞越某一登陆器上空的可预测时间表。

与此相反,火星同步轨道中继卫星能够提供对火星半球的大部分区域的覆盖。随着可见的登陆器的增多,中继服务调度会非常复杂,会出现竞争中继服务的情况。火星同步轨道中继卫星非常适合按需接入服务请求范例。用户服务请求将详细说明预期的通信中继服务持续时间和链路详细情况(如频段、数据率、调制和编码)。中继卫星会对服务承诺作出回应,卫星资源允许时,会立即提供服务;如果卫星资源不允许,则规定在未来一段时间履行服务承诺。

(2)跟踪与导航服务

当前的低火星轨道轨道器能够基于临近链路信号的多普勒频移提供有用的登陆器定位能力。之前与“火星探测漫游器”的实验已经利用上述方法演示了10米或者更高精度的定位能力。

通过对低火星轨道轨道器与火星同步轨道中继卫星之间的临近链路进行多普勒测量,就能够实现低火星轨道轨道器的定轨,这与当前DSN多普勒跟踪功能能够提供的定轨概念与精度类似。跟踪与导航服务可能对于不支持DTE链路的小型火星立方星/微卫星而言是一项重要服务。


4 结语

       现有的火星中继网络向驻留在火星的登陆器和火星车提供了重要的中继通信服务,但这些中继资产所处的科学轨道限制了火星中继网络的能力。在未来人类探测火星的时代,将需要数据率更高且更为可靠的中继服务。鉴于此,NASA JPL的研究人员提出了运行在火星同步轨道的中继卫星概念,它利用火星同步轨道的高度优势并采用更高频率的RF和光学高定向链路,将极大改变火星中继通信的现有能力,进而颠覆人类进行火星表面探测的概念。