“天问一号”如何在最远4亿公里外保障高可靠性通信?

  • 西北网
  • 2021-06-02 11:04:09
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自2020年7月23日发射以后,天问一号已飞了一年的时间。

天问一号由环绕器、着陆巡视器两部分组成。通信功能由环绕器的“测控数传分系统”负责。

这一分系统负责两类通信:一种是天问一号和地球之间的“器地通信”,另一种是环绕器和着陆巡视器之间的“器间中继通信”。

一年的飞行过程中,“器地通信”通道长期畅通,确保了上亿公里外探测器的正常飞行控制。

随着2021年5月15日着陆巡视器和环绕器的分离,“器间中继通信”能力也解封了——环绕器作为着陆巡视器(着陆台+火星车“祝融号”)的“中继站”,能够把从火星表面发来的数据中继转发给地球。

面对从未有过的最远4亿公里外的器间中继通信,测控数传团队采用了器间高灵敏度接收、多码速率自适应切换、高可靠的双工握手协议以及UHF/X中继多模式配合等先进通信技术,实现了环绕器和巡视器、火星车之间的前向、返向通信,成功解决了4亿公里外两器之间的高可靠数据传输,为整个火星车的探测任务提供了全过程的前、返向通道保障。

在地球上,为了接收来自火星的遥远信号,我国深空测控网也在不断升级:通过全球布站和设备升级,拥有更强的接收微弱信号的能力。

器间中继

多种通信模式,全程不掉线

火星探测器设计之初,团队就面对着重重的难题,器间中继通信的设备需要飞行300多天后开始工作,如何确保分离前器间中继单机的正常?如何在最远4亿公里外保障高可靠通信?如何最大效率地利用火十多分钟的可见弧段进行通信?如何把远火更长时间的弧段利用起来……这一个个问题在设计中不断地被提出,又不断地被解答。

天问一号测控数传设计师王民建告诉记者,针对中继通信中面对的问题,研制团队设计了UHF自检模式,通过专门设计的UHF微波网络切换,实现大小信号的切换,在300多天的地火转移段飞行过程中,可以在小信号模式下随时进行自检测试,检查单机的状态是否正常。

具体来说,在分离之初信道不稳定的情况下,采用单工通信模式,最大程度地保证两器数据的传输,确保着陆器在降落过程中各关键遥测状态可以及时地送往环绕器;在火信道较好的情况下,采用全双工的通信模式,确保前返向数据的可靠传输,尤其是前向指令,不容丢失;在远火情况下,为了尽可能高效率地利用弧段,设计了X中继模式,可以实现返向数据的高效率传输。

“通过以上多种在轨工作模式地设计,最大程度地解决了全过程的通信问题。”王民建说。

给火星车中继

抓住每个10分钟窗口

作为“中继站”的环绕器在火星轨道飞行,并非随时都能转发火星车的数据。每一个火星日,当环绕器飞到“火弧段”时,可进行大概10分钟左右有效通信,此时传输速率较高,能够传回珍贵的火星表面一手数据。

针对这宝贵的十分钟,如何高效率地利用信道传输更多的火星探测数据成为了系统设计的重点。

为此,设计团队采用了码速率自适应切换技术,器间通信中接收方根据接收信道状态自动进行信噪比估计,依据信噪比估计结果确定通信码速率,之后再通过通信协议设置发送方的工作参数,从而实现了收发双方的码速率自适应切换,实现了高效率通信。

除了传输速率,可靠也极重要。

为了实现高可靠的火星车数据传输,航天八院研制团队采用了全双工的通信模式,最大限度提高通信可靠

对抗多种干扰

与深空网取得联系

因为天问一号距离地球遥远,飞行时间长,同时受地球、火星、探测器相对运动和地面测控站分布的影响,测控通信难以全空间覆盖。

距离遥远,还导致测控信号传输时延大,单程时延最长约23分钟。

信号在传输介质中传播时,会有一部分能量转化成热能或者被传输介质吸收,从而造成信号强度不断减弱,这种现象称为衰减。相比月球,火星和地球间的信号衰减更严重,测控及数据传输码速率低于月球探测1—2个量级以上。

此外,日冕不稳定的“颤动”同样也会影响到通信,也就是说,太阳也可能干扰到信号。

“恶劣的空间天气轻则使探测器和地球间的传输速度变慢,重则能使探测器与地球间的联系彻底中断。”哈工大(深圳)空间科学与应用技术研究院博士后李会超介绍,因为日冕由离子、电子已经分离的等离子体组成,能够与电磁场发生相互作用。“一旦太阳爆发导致日冕出现如‘颤抖’一样的强烈湍动,引起信号传输路径上的密度变化,就会对通信信号的电磁波传输产生影响。”李会超说。

有人曾将天问一号比作大海中的一叶扁舟,将深空测控网比作指引方向的灯塔,这也描绘出天问一号与地球的连接关系。

探究从火星将数据回传的过程,则可以概括为:火星车上希望回传的数据,需要经过环绕器作为通信中继站,再经由地球上的深空测控设备接收数据,进而到达地球。

这也意味着,我们在地球上接收来自火星的信号,需要强大的“深空测控网”。

简单来讲,地面的多个深空测控站组成的测控网,被称为深空测控网,其配有大口径抛物面天线、大功率发射机、极高灵敏度的接收系统、信号处理系统以及高精度高稳定度的时间频率系统。专门用于深空航天器测控和数据传输,获取深空航天器的无线电跟踪测量数据,发送上行指令,实现对深空航天器的遥控,并用于无线电科学和雷达天文学研究。

深空测控网的布局,通常有多重考虑。从地理位置上来看,为克服地球自转影响,并实现对深空航天器的连续测控覆盖,深空网布局的理论最优设计为,全球范围内经度上间隔120°布站。另一方面则从电磁环境考虑,站址的选择应避免外界电磁环境抬高系统噪底,降低系统接收灵敏度,同时也应避免深空站大功率发射对外界产生影响。

年来,人类探索宇宙的脚步越走越远,航天大国也研制并建设着自己的深空测控网。

例如,美国的深空网按照经度间隔120°进行分布,在全球建有3个深空通信综合设施。同样,欧空局的深空网也建有全球分布的3个深空站。

布局全球

中国深空测控网不断进化

伴随着探月工程“绕、落、回”三步走的战略步伐,中国深空测控系统逐步建设与发展起来。

2004年,我国正式启动月球探测工程,拉开了深空探测的序幕。2007年,为支撑起探月工程一期——嫦娥一号绕月测控任务,中国西安卫星测控中心所属青岛、喀什测控站分别新建了两座18米口径测控天线,实现了远距离测控技术的突破。

面对探月工程二期中嫦娥三号落月任务,2012年底,我国利用国土纵深优势,在新疆喀什和黑龙江佳木斯分别建设的两座深空测控站正式投入使用,初步具备了独立实施深空探测任务测控支持的能力。

为更好地服务后续一系列深空探测任务,我国还在海外建设深空测控站,我国也由此实现了深空探测网的全球布站。

为圆满完成天问一号探测任务,测控系统基于现有航天测控网和深空探测网(包括北京航天飞行控制中心、佳木斯测控站、喀什测控站、阿根廷测控站等),在喀什站补充建设了3副35米口径天线,与已有天线组成天线阵系统,以完成对火星探测器状态监视、轨道测量、飞行控制、在轨管理和应急处置等任务。

2020年年初,地面应用系统在天津武清还建成了1副70米口径天线,与已有地面数据接收天线进行组阵,接收火星传回的科学数据。这副亚洲最大的单口径全可动天线,将接收最远4亿公里外火星车传回地球的微弱信号。

南方日报记者 王诗堃 刘佳荣

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