俄罗斯深空测控通信技术的发展及现状 接下篇

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1、俄罗斯深空测控通信技术的发展及现状 接下篇李平，张纪生（北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094） 摘 要：简单总结了俄罗斯（前苏联）深空测控通信技术的发展过程，主要介绍了俄罗斯深空网目前的组成和技术现状以及正在研制的尽可能符合CCSDS建议的新的深空测控设备。 关键词：深空探测；深空网；测控；通信；评述 一、引言 探测和利用深空一直是人类的理想。自1959年1月苏联首次用“月球1号”探测器探测月球以来，在40多年的时间内，除最远的行星冥王星外，人类的视觉和触觉借助航天技术已延伸到太阳系的所有行星及其部分卫星。 21世纪，人们向太阳系行星的探测将从2个方向继续进行。一是继续探索未知的科学领

2、域，可能有3个重点：对人类从未访问过的冥王星进行探测；对水星增加探测机会；加强对“木卫2”和“土卫6”的深入研究，弄清是否存在生命。二是利用人类已掌握的航天技术开发利用月球及火星。 人类要进行深空探测，必须建设深空测控通信网，它是人类与深空探测器联系的通道和纽带，在深空探测任务中起着关键的作用。由于深空任务周期较长、通信时延巨大、链路带宽有限、信号微弱、数据更加关键可贵等一系列原因，使得深空测控通信与地球轨道航天器的测控通信有很大差异，实现起来更为困难。 就技术角度来讲，深空探测无论对星上设备还是对地面设备都是一种挑战，可以带动许多相关技术的发展，如巨型天线、发射机、低噪放、编解码等。二、俄罗

3、斯（前苏联）的深空研究计划 1.月球研究计划 1959年1月，前苏联向月球发射了第一个月球探测器“月球-1”。“月球-1” 从 月 球 旁边约5 000 km的地方飞过去了，未能到达目的地。紧接着发射的“月球-2”于1959年9月到达了月球，“月球-3”于同年10月完成了环月飞行，拍摄了月球背面的照片并将其传送到地面。这些探测器采用米波段无线电设备接收指令、进行轨道测量和向地面传送遥测信息，测量精度和信息传送速度都比较低。1963年到1966年，发射了第二代探测器“月球-4”到“月球-14”。其中，“月球-9”于1966年2月首次成功着陆月球，并向地面传送了首批月球表面的全景图。第三代月球探测

4、器“月球-15”到“月球-24”都装有软着陆系统，其任务是把各种探测装置送到月球表面。其中“月球-17”和“月球-21”分别于1970、1973年成功地将月球车送到了月球表面。 2.金星研究计划 1961年发射了“金星-1”，虽然该探测器远在到达金星之前就中断了与地球的联系，但在该任务中研制的“冥王星”深空通信系统却获得了成功，在叶夫帕托里亚建立了当时最庞大的70 m深空站，极大地拓宽了宇宙探索的范围。1965年11月发射的“金星-2”和“金星-3”在几乎到达目的地时与地球失去了联系。1967到1969年间发射的“金星-4”到“金星-6”探测器成功地探测了金星的大气层，获得的数据直接送回了地球

5、。“金星-7”的着陆虽然失败，但在着陆过程中探测到了大气温度。1972年，“金星-8”完成了在金星阳面的着陆，金星第一阶段勘测任务到此结束。随着1975年新一代探测器“金星-9”和“金星-10”的发射，开始了金星综合研究阶段。1978到1981年发射了相似的“金星-11”到“金星-14”探测器。由于产生的科学数据大大超出了直接传送方式的传输能力，开始采用存储转发方式向地面传输数据，传输速率为3 072 bit/s。1983年发射了“金星-15”和“金星-16”，一年内拍摄到30%左右的金星表面，分辨率达到1 km左右。 3.“织女星”计划 1973年，前苏联和法国开始共同研究建造游弋于金星大气

6、层的大型航天器。1981年决定在“金星”探测器的基础上建造一个飞行器，近距离研究1986年飞过的哈雷彗星，从而诞生了“金星哈雷彗星”计划（“织女星”计划）。该任务中，探测器的信息传送和轨道测量基本没有困难，但要求昼夜接收气球探测器的速度矢量、坐标以及观测数据。为此，决定利用美国深空网的设备。该任务进行前，在乌苏里斯克建立了第二个70 m站。任务中还动用了6个苏联和4个国外的最大的射电望远镜，从而保证了每3060 min与气球探测器进行一次通信联系，每次持续5.5 min。 4.火星计划 继1962年“火星-1”计划失败后，1969年发射的3个“火星-69”也失败了。1971年，带有可在火星表面

7、着陆探测器的“火星-2”和“火星-3”进入了火星卫星轨道，但“火星-2”探测器在着陆过程中撞毁，“火星-3”的探测器未能发回有效信息。1973年发射了“火星-4”到“火星-7”，“火星-6”的探测器成功进入火星大气并传送了首批直接测量的大气数据。 5.“火卫-1”计划 人们认为火星的卫星“火卫-1”可能是一个从宇宙空间俘获的天体，能够从中揭开原始星云形成行星的历史，于是在19881989年发射了新型多功能航天器“火卫-1”对之进行研究。“火卫-1”上搭载的科研仪器要求以不低于32 kbit/s的速率传送信息，这一要求用当时的无线电通信设备“冥王星”是无法满足的，因而开发了新的无线电系统“量子-

8、D”。“量子-D”提高了工作频段，轨道测量精度也比“冥王星”高一个量级。 美国、法国也参与了该计划。美国的3个深空设施组成了甚长基线干涉仪，前苏联的叶夫帕托里亚站、乌苏里斯克站以及美国加州戈尔德斯敦站进行距离测量。为了传回全部的测量数据，还在“火卫-1”上采用了信息压缩技术。三、俄罗斯（前苏联）深空测控通信网的发展过程 为了于1961年执行“金星-1”探测计划，前苏联研制出第一代深空测控系统“冥王星”。该系统工作在900/700 MHz，布置在辛菲罗波尔和叶夫帕托里亚（乌克兰）2个站。辛菲罗波尔使用25 m天线，而叶夫帕托里亚使用8个直径为8 m的天线组阵。该系统以0.16 bit/s的速率传

9、送指令，以64 bit/s的最高速率接收遥测信息，速度及距离测量精度为100 mm/s和400 m。随着第一阶段金星研究计划的结束（1972年），第一代系统也停止使用。 为了借助轨道器和着陆器研究火星，1970年研制了第二代深空测控系统“土星-MC”，其工作频段为900/700 MHz和6 GHz，在叶夫帕托里亚和乌苏里斯克（远东）分别建造了32 m和70 m站。该系统在26010.6 km距离内信息传送速率可达到100 kbit/s，速度和距离测量精度达到10 mm/s和200 m。第二阶段金星探测计划也使用了该系统。 70年代中期，为执行“火星-3”计划，前苏联研制出第三代深空无线电系统“

10、量子-D。该系统既可在900/700 MHz频段工作，也可在6/5 GHz频段工作，速度和距离测量精度提高到0.5mm/s和10 m。19801986年期间，该系统在叶夫帕托里亚、乌苏里斯克与熊湖（莫斯科附近）跟踪站投人运行。以“量子-D”为基础形成的测控网能够控制太阳系范围内活动的所有星际探测器，以及高远地点地球卫星（高达610.6 km）。 目前正在研制第四代深空无线电系统“木星，并将于2005年投入使用。四、俄罗斯深空测控通信网的现状 目前俄罗斯深空网由3个地面站、2个指控中心（MCC）和2个弹道中心（BC）组成。3个地面站分别是乌苏里斯克、叶夫帕托里亚、熊湖。乌苏里斯克配置的是25 m

11、（发）、32 m（收）和70 m（收/发）站，叶夫帕托里亚拥有32 m（发）、70 m（收/发）站，熊湖则是32 m（收）、64 m（收）站。东、西两站经度相隔100左右，提供了从前苏联本土最长的接力观测时间，并可构成尽可能长的基线。 深空任务的主控中心位于加里宁格勒，备用和本地指控中心与叶夫帕托里亚站在一起。2个弹道中心分别设在莫斯科附近的飞行控制中心（FCC）和俄罗斯科学院的应用数学所。 1.任务指控中心（MCC） 探测器的飞行和工作控制由MCC的操作控制组（COCG）完成。该组的人员来自探测器研制和空间飞行控制过程制订部门，分为任务执行小组、分析小组、飞行规划小组、测控规划和分析小组、弹

12、道组、通信组。 在探测器控制过程中，MCC要完成的任务有：(1)快速分析探测器上各系统的工作能力；(2)向测控站自动发出控制指令，并连续监视指令向探测器的传送以及在探测器上的执行过程；(3)显示整个控制过程。每次准备控制操作时，要处理好下列问题：(1)自动规划好受控探测器的工作以及随后执行控制所需相应控制设备；(2)检验准备好的指令，看其是否与控制操作期间探测器各系统的实际状态相适应；(3)准备并传送执行测控通信所需的信息。 MCC中的信息处理设施包括三大计算机程控系统：自动处理和分析遥测信息的系统、程控遥控系统和信息显示系统。 2.弹道中心 该中心的主要功能是确定探测器的真实飞行弹（轨）道，

13、并预报两次弹道测量过程之间的飞行路径。作弹道修正的准备过程中，弹道中心要计算出探测器从某一弹道转移到另一弹道所需机动飞行参数。探测器机动数据以数字形式送到相应测控站，再通过无线电通信链路送到探测器，插入探测器控制系统的定时器，以便在预定时间修正探测器的飞行路径。 2个弹道中心独立计算探测器的弹道和机动参数，计算结果进行比对，如相同则可使用。弹道中心计算出的数据送往测控站，以便计算目标引导数据以及规划未来探测器操作。 3.测控设备 目前叶夫帕托里亚站的测控设备是80年代研制的“量子-D”，其结构如图1所示。该站主要利用直径70 m的收发天线，站中还有一个32 m发射天线及相应设备。 深空通信设施

14、的电子设备放在专门的设备箱、70 m天线塔架（带一个环形延伸部分）中，还有一部分在技术主楼内。接收电路前端放在天线反射面设备箱内，紧靠馈源。微波发射机的末级也尽量靠近天线馈源，在天线反射面设备箱内。接收系统的制冷设备放在天线的旋转平台上。控制系统、一台UHF发射机、天线驱动设备、接收设备、频率综合器和弹道测量设备放在天线环形延伸部分。 用来产生接收机外差信号和发射机激励信号的所有信号都源自高稳定5 MHz基准信号，该信号由氢频标产生。氢原子钟的长期（1天）相对频率稳定度为310-14，短期（1 s）稳定度为110-12。 射频设施的控制台、射频信号和遥测信息接收处理系统、程控指令产生和发送设备

15、、干涉测量设备以及时统设备皆放在技术主楼内。此外，主楼内还有行星雷达设备、探测器飞行本地控制台和一台科学信息快速预处理设备。 70 m设备除完成对深空探测器的测控任务外，还可以其巨型天线和大功率厘米波发射机构成行星雷达，有规律地实施对火星、金星、水星的测距测速（测距精度为0.32 km），从回波信号中获得有关行星表面物理结构及行星旋转参数，绘制多种用途的行星表面的雷达图（亮度图、地貌图、地形高程图等）。 考虑到多功能、作用距离远以及气候和重力的影响，70 m直径天线在设计中需考虑一些特殊问题：(1)接收信号微弱，发射功率极大；(2)多功能，即测控兼行星雷达；(3)多频率同时或顺序工作；(4)需改进主反射器和副反射器几何形状，使天线在严重重力变形下仍具有很高的效率，并对反射面重力变形的相位失真进行补偿；(5)伺服系统、跟踪架指向精度等。 乌苏里斯克站的设备组成与叶夫帕托里亚站基本相似，只是没有行星雷达设备，32m天线设备只用于接收，而用25 m天线设备作为备份发射设备。熊湖站的32 m 、64 m天线设备只用于科学信息的接收。 表1总结了目前使用的“量子-D”测控系统的各项技术指标。（接下篇）特别声明：1：资料来源于互联网，版权归属原作者2：资料内容属于网络意见，与本账号立场无关3：如有侵权，请告知，立即删除。