深空测控新技术研究进展

董光亮

(北京跟踪与通信技术研究所,北京100094)

深空测控新技术研究进展

董光亮

(北京跟踪与通信技术研究所,北京100094)

测控系统是航天工程不可或缺的重要组成部分,其导航通信能力在深空探测任务中尤为重要。深空探测任务远距离、长延迟、弱信号、易中断条件下高精度导航测量和高速可靠数据传输始终是深空测控技术需要重点解决的问题。围绕这些问题重点介绍了在天线组阵、再生伪码测距、连接端站干涉测量、相位参考干涉测量和容延迟网络等一系列新技术方面开展的研究工作和部分成果,可以看到,这些成果的应用将丰富深空测控技术手段,在未来更复杂、更遥远的深空探测任务中将会发挥重要作用。

深空测控;天线组阵;再生伪码测距;连接端站干涉测量;相位参考干涉测量;容延迟网络

0 引 言

深空探测任务与近地航天任务相比,具有跟踪测量距离远、信号传输时延大、导航测量难度高、任务持续周期长等特点。随着科学技术水平的不断提高和深空探测目标距离的不断增大,深空探测任务在数据传输速率、导航测量精度等方面的需求也将不断增长。在数据传输方面,为了能够在探测器和深空站之间实现最多有效数据的最短时间传输,考虑到探测器质量、体积、功耗以及实现难度等自身资源的限制,必须尽可能提高深空站的上行发射能力和下行接收能力,天线组阵技术就是其中一种经济、灵活、可靠的解决手段;在导航测量方面,为了能够在弱信号、远距离条件下获得更高的导航测量精度,再生伪码测距、连接端站干涉测量(connectedelement interferometry,CEI)和相位参考干涉测量等高精度轨道测量技术,在未来的深空探测任务中必将得到广泛应用。此外,为了根本解决深空测控通信链路长延迟、易中断、高误码的实际难题,随着在轨运行探测器数量的不断增多,构建基于容延迟网络(delay-tolerantnetwork,DTN)技术的行星际互联网,能够有效实现异构网络互联、数据可靠传输和资源综合共享,这也是未来深空探测任务国际航天机构之间开展互操作、互支持的必然发展趋势[1]。

1 天线组阵技术

天线组阵包括本地组阵和异地组阵,该技术是利用多个天线接收来自同一个探测器的下行信号或向同一个探测器发射上行信号,通过信号合成提高信号的信噪比,实现高速数据的上下行传输。美国国家航天局(NASA)深空网从20世纪70年代初就开始研究和使用天线组阵技术,该技术已成为解决深空探测器测控和高码率信息传输的重要途径,也是国际深空测控技术的发展趋势之一。相比单个天线,天线组阵具有以下明显优势。

1)提升系统性能:减小了大口径天线对指向的高精度要求;有效提高了上下行数据量和远距离测控能力。

2)增强可操作性:可实现更高的资源利用率;提高系统的可用性和维护的灵活性;降低备件数量。

3)降低系统研制成本:批量生产和系统复杂度低,可有效节省系统研制难度和成本。

4)提高系统运行灵活性:根据任务需求灵活调整系统规模;新增单元不影响原系统运行。

1.1 下行组阵

下行组阵是将每个小口径天线接收的信号进行延迟和相位调整,使其与其他天线收到的信号相干,并将这些调整后的信号相加,形成信噪比增强的合成信号。目前,信号合成的主要方法包括全频谱合成、复符号合成、符号流合成、基带合成和载波组阵等;信号相关算法主要包括Simple算法和Sumple算法等[2]。所有的信号合成和信号相关算法都属于信号处理的范畴,既可用于本地共源组阵,也可用于异地不共源组阵。经理论仿真和试验验证表明,下行组阵利用全频谱合成和Sumple算法,可以获得更加优越的性能。全频谱合成原理如图1所示。

“嫦娥3号”探测器在月球表面成功着陆并实现两器分离后,我们利用1副12 m天线和2副18 m天线组成的试验验证系统开展了下行组阵接收试验。其中,单个18 m天线接收的图像数据如图2(a)所示,1副12 m天线和2副18 m天线组阵接收的图像数据如图2(b)所示。试验结果表明,信号合成效率可以达到95%以上,1副12 m天线和2副18 m天线组阵,实现了等效25 m量级大口径天线的接收效果,利用下行组阵技术可以有效提高数据接收质量。

图1 下行组阵全频谱合成原理框图Fig.1 Block diagram of full-spectrum combining for downlink antenna array

图2 下行组阵接收“嫦娥3号”探测器图像数据比较图Fig.2 Comparison of downlink antenna arrays recive Chang'e-3's image data

1.2 上行组阵

上行组阵是利用地面上分布的多个发射天线组成发射阵列,对同一目标发射信号,并通过调整各个发射信号的时延、相位,使各个发射信号在目标处能够实现同相合成,从而增强深空探测器接收信号的信噪比。上行组阵系统组成如图3所示。

图3 上行组阵系统组成框图Fig.3 Block diagram of uplink antenna array system

通过上行组阵系统实现多个发射信号的相关合成要比下行信号分布接收合成在技术上更具挑战性,主要需完成以下工作:

1)利用位置精确已知的远场目标,对上行组阵系统的每一个天线进行标校,获取各天线之间输出信号相位和时延的固有差值,即上行组阵系统信号特性;

2)要更加精细地掌握传输信号经过大气空间时的折射和延迟特性;

3)根据目标实际飞行状态和上行组阵系统信号特性,计算每一个天线输出信号的相对相位和时延,并按要求产生各天线的发射信号,最终实现信号在目标处的相关合成。

2 再生伪码测距技术

再生伪码测距技术与纯侧音等常规测距技术相比,探测器对测距信号进行检测处理和同相再生替代了传统的透明转发,从而消除了上行信号噪声对下行信号的影响,实现了下行链路信噪比的提高和测距性能的改善。目前,国际上空间数据系统咨询委员会(Consultative Committee for Space Data Systems,CCSDS)针对伪码测距技术已形成相关标准[3-4],可以为开展再生伪码测距系统的设计和实现提供借鉴参考。

参考CCSDS标准,选择两种用于再生伪码测距的复合码,分别为T4B码和T2B码。T4B码和T2B码由6个相同的子码经不同逻辑复合得到。6个子码由Titsworth最先提出[5],其码长和码序列如表1所示,T4B码和T2B码的组合逻辑如表2所示。

表1 再生伪码测距系统采用的6个子码Table 1 6 subcodes of regenerative pseudo-noise ranging system

表2 T4B码和T2B码的组合逻辑Table 2 Combinatorial logic of T4B code and T2B code

再生伪码测距系统中,探测器利用6个子码与T4B码、T2B码之间良好的互相关特性,可以通过各子码与复合码的相关运算,恢复出复合码的生成子码,从而重构复合码;地面利用子码比对及孙子定理,计算双向测距时延,进而由光速转换为最终的测距值。

在我们开展的地面验证试验中,测试和验证了再生伪码测距系统具有的良好性能(如表3所示)。其中地面验证试验系统包括器载应答机、地面数字综合基带设备、X频段上/下变频器、信道模拟器和监控系统等,如图4所示。

表3 再生伪码测距系统的主要技术指标Table 3 Main technical parameters of regenerative pseudonoise ranging system

图4 再生伪码测距地面验证试验系统组成框图Fig.4 Constitution of regenerative pseudo-noise ranging groud test system

研究结果表明,在相同测距精度要求下,相比纯侧音测距,再生伪码测距可改善20 d B以上的测距信道性能;伪码测距信号与遥测遥控信号之间具备较好的兼容性,其中与遥控信号的相互影响可忽略不计,与遥测信号的相互影响约为1～2 dB;载波信号调制伪码信号后对测速精度的影响也可忽略不计。因此,再生伪码测距技术更加适合于弱信号条件下的深空探测任务。

3 连接端站干涉测量技术

连接端站干涉测量(CEI)技术的基本原理是利用光纤在直线距离相距10～100 km(短基线)的两个地面站之间进行频率和信息传递,通过两站极高精度的频率一致性,实现两站接收信号延迟的精确测量,保证在短基线条件下,也能获得满足要求的目标相对基线矢量的精确角位置。总体来讲,该技术具有以下优点:

1)使用同一频率源标准,可以在两站之间进行相干处理,并抵消站间的频率和时间偏差,同时减少了配置氢钟的数量,提高利用效率;

2)利用光纤进行测量信息的实时传递,可以实时或准实时得到定轨预报结果;

3)采用短基线测量与采用长基线测量相比,双站共视时间更长,更容易为任务的关键弧段提供支持;

4)由于基线较短,探测器与两个地面站之间的路径传输特性基本一致,可以降低空间传播介质误差的影响;

5)通过光纤将已有天线设备连接成一个系统,组网灵活;

6)可获得载波相位延迟测量量,测量精度远高于群延迟测量量。

在CEI系统中,由于测量基线很短,与长基线测量相比,保持相同的测角精度,必须要得到更高的两站接收信号时延精度。实现CEI高精度测量的途径是获取相位延迟测量量并正确解模糊,这要求保证站间时频信号同源及高精度的同步特性,以减少测量误差。站间高精度时频传递通过光纤通信链路实现,试验系统具体组成如图5所示。

该系统主要由高频接收分系统、数据采集与基带转换分系统、时频传递分系统、时频接口分系统、实时相关处理分系统、定轨定位计算分系统等组成。高频接收分系统和数据采集与基带转换分系统完成航天器信号的接收和数据采集;时频传递分系统完成从频率源到测控设备的时频传递,向测控设备输送10 MHz频标及秒脉冲信号,确保两个站频率信号的相干性;时频接口分系统通过高稳锁相环、高精密时间间隔测量和相位微调技术来确保高精度的测量需求;实时相关处理分系统完成对航天器信号短基线干涉测量的相关处理工作,获得高精度相位延迟或群延迟量;定轨定位计算分系统通过获取的测量数据完成对航天器的定轨定位计算工作。

为了对基于光纤时频传递的CEI系统进行功能验证,我们利用直线距离相距约50 km的两个地面站构建了相应的试验验证系统,该系统的时频传递指标为:频率传递稳定度优于1E-13/s,时间同步精度优于100 ps。针对双差分条件下的CEI测量,综合考虑频率稳定度、电离层、对流层、系统热噪声、仪器相位抖动、基线误差等的影响,时延测量精度将优于0.2 ns。基于上述测量精度,基线50 km的CEI系统可实现对两颗共位地球同步静止轨道卫星相对定位精度50 m以内的指标。

图5 基于光纤时频传递的CEI系统组成框图Fig.5 Block diagram of CEI system based on optical time and frequency transmission

4 相位参考干涉测量技术

相位参考干涉测量技术最初用于亮度较弱的射电源结构成图,利用邻近的致密射电源相位信息修正目标源的可见度数据相位,能有效提高弱源可见度数据的相干时间和系统灵敏度,降低目标源的探测亮度限制。经过相位校准的可见度数据相位保留了目标源和参考源的相对位置信息,两者间角距测量精度可达亚毫角秒量级。如果把其中一个射电源换成探测器,就可以通过相位参考干涉测量技术获得探测器与射电源之间的高精度相对角位置。美国NASA利用美国国家射电天文台的甚长基线阵(very long baseline array,VLBA)分别在2004年“勇气号”(MER-B)、“卡西尼号”(Cassini)、2008年“凤凰号”(Phoenix)3个探测器上开展了相位参考干涉测量导航试验[6-7]。欧空局(ESA)则在2011年利用欧洲VLBI观测网(the European VLBI network,EVN)对金星快车(Venus Express)进行了测量,定位精度和VLBA相当[8]。这几次试验不仅充分验证了该技术在深空导航中应用的可行性,同时还体现了该技术的以下几个优点:

1)测量精度高,探测器与射电源角距测量精度优于0.5 nrad,比美国NASA深空网(deep space network,DSN)现有的双差单向测距(ΔDOR)测量精度更高;

2)不需要探测器具备特殊的信标,利用探测器下行载波信号就可以实现精确测量;

3)灵敏度高,可以观测很弱的探测器信号,或者利用更弱的更靠近探测器的参考射电源,进一步减小系统误差。

我国用于月球及深空探测无线电干涉测量的测站包括甚长基线干涉(VLBI)观测网的4个站(上海65 m、北京50 m、昆明40 m和乌鲁木齐25 m)和喀什35 m及佳木斯66 m两个深空站。在“嫦娥3号”任务中,我们利用VLBI观测网的干涉测量数据,以着陆器为参考源,对“玉兔号”巡视器进行了成图处理,得到了巡视器相对着陆器的精确位置,相对定位精度达到了1 m量级,如图6所示。图中的浅色亮点为巡视器,图像原点为着陆器所在位置。浅色亮点与图像原点的偏移反映了巡视器与着陆器的相对位置。

图6 相位参考干涉测量对“玉兔号”巡视器的成图结果Fig.6 Radio image of the Yutu rover using VLBI phase referencing

本次试验有效验证了利用我国VLBI观测网进行探测器相位参考干涉测量的可行性和高精度,若再增加两个深空站,测量精度和实时性将会得到进一步提高。

5 容延迟网络技术

容延迟网络(DTN)技术借鉴了因特网的设计思路,在应用层之下传输层之上插入了一个面向异步数据传输的覆盖层,也称包裹(bundle)层,从而构造了“因特网的网络”,其核心思路是采用保管传递的可靠传输协议(例如,包裹协议BP、容延迟传输协议DTTP、CCSDS文件传输协议CFDP等),并配合灵活高效的动态路由协议(例如,接触图路由协议CGR、蔓延路由协议Epidemic、自适应消息转发路由协议PRoPHET等),以解决深空探测任务中异步数据的可靠传输问题,从而为整个太阳系的用户提供无处不在的端到端连接。DTN技术的应用前景主要包括以下几个方面:

1)深空探测任务:DTN对于包含行星本地网络和行星中继网络的深空探测任务所面临的长延迟、日常性的网络中断问题提出了系统性的解决方案,对所支持的业务类型和业务形式没有限制,对已有的成熟技术有良好的兼容性。例如,地面链路采用的TCP/IP协议,空间链路采用的可靠传输协议(LTP)、CCSDS封装包协议、高级在轨系统(AOS)协议、近程传输协议(Proximity-1)等。

2)地球轨道航天任务:星间链路的广泛采用,将使大量的地球轨道卫星形成空间信息网络。DTN的容中断特性,将不再关注地面与目标星之间的直接链路,基于端到端的容延迟的信息传输(遥测、遥控、数据等),可以使用户更多地体验天地一体化测控通信网络的智能化服务。

3)信息传输协议的标准化:DTN协议体系屏蔽了网络间的异构特性,兼容不同的传输协议,地面和空间数传系统可以在原有的建设基础上,保持原不同协议在本地的可用性,并通过DTN技术互联互通,充分适应了国际互支持需求;同时,DTN体系结构为不同的协议层建立了选项丰富、可供按需裁剪的协议,保证了协议体系的可持续发展。

在一个由任务控制中心、深空网地面站、火星中继卫星和火星着陆器等组成的典型火星探测任务中,利用DTN技术实现端到端数据传输的具体实现方式可通过图7体现[9]。在任务控制中心和地面站之间的地面链路中,BP协议可以在TCP/IP协议之上实现,地面站利用BP协议可以保管数据直到与下一个中继卫星的连接周期开始为止,地面站发送的保管传递确认消息可以将数据已被成功接收并正在发送的消息通知任务控制中心。在地面站和中继卫星之间以及中继卫星和着陆器之间的空间链路中,BP协议可以在LTP协议、CCSDS封装包协议、AOS协议和Proximity-1协议等多种不同数据链路和传输层协议上实现,需要进行可靠传输的数据可以保管在中继卫星上,且在下一个与着陆器之间的连接机会出现时,中继卫星才会将保管传递确认消息通知地面站。因此,当中继卫星和着陆器之间的数据丢失时,可以利用中继卫星直接进行重发,而不再需要利用地面站进行重发,提高了数据传输效率。

图7 典型火星探测任务中采用DTN技术进行端到端数据传输的模型框图Fig.7 Model diagram of transmitting data end-to-end by DTN technology in typical Mars mission

我们利用DTN网络实验平台(如图8所示)对DTN网络中可能采用的LTP、DTTP、CFDP、BP等可靠传输协议和CGR、Epidemic、PRoPHET等动态路由协议进行了性能验证,得到了以下基本结论:

1)LTP、DTTP、CFDP和BP协议均能够很好地在易中断、低速率、高误码和长延迟的深空通信环境中保证数据的可靠传输;

2)在信道误码较小时,BP协议的数据传输性能优于CFDP协议;当信道误码较大时,CFDP协议的数据传输性能优于BP协议;

3)LTP和DTTP协议更适用于深空通信环境,且在绝大多数应用场景下,与其他可靠传输协议相比,LTP协议的性能均是最优的;

4)CGR协议与Epidemic、PRoPHET协议相比,在吞吐量和时效性等方面表现出来的性能是最优的,因此对于具有确定连接关系的深空通信环境, CGR协议是最佳选择。

图8 DTN网络实验平台体系结构框图Fig.8 Structure diagram of DTN network experimental platform

6 结束语

测控距离更远、传输数据更多、导航精度更高始终是驱动深空测控技术发展的不竭动力,任何相关技术的突破和应用都将为深空探测活动的成功与科学发现创造重要条件。同时,各类最具想象力的深空探测任务又为测控通信技术发展提出了源源不断的新课题,不断产生的技术成果犹如注入的新鲜血液使这门学科充满活力。这里介绍的几项研究成果仅是任务需要的一部分,激光测控通信一体化、网络编码等更多的新技术都将在深空测控任务中发挥重要作用,为我国未来更复杂、更遥远的深空探测任务提供更坚实的技术基础。

[1]吴伟仁,董光亮,李海涛,等.深空测控通信系统工程与技术[M].北京:科学出版社,2013:429-438.[Wu W R,Dong G L, Li H T,et al.Engineering and technology of deep space TT&C system[M].Beijing:Science Press,2013:429-438.]

[2]David H Rogstad,Alexander Mileant,Timothy T Pham.深空网的天线组阵技术[M].李海涛,译.北京:清华大学出版社,2005:20-25,72-76.[David H Rogstad,Alexander Mileant,Timothy T Pham.Anenna arraying technologies in deep space network[M].Li H,transl.Beijing:Tsinghua University Press,2005:20-25,72-76.]

[3]Consultative Committee for Space Data Systems.CCSDS 414.0-G-1 PSEUDO-NOISE(PN)RANGING SYSTEMS [S].CCSDS,2010.

[4]Consultative Committee for Space Data Systems.CCSDS 414.1-B-1 PSEUDO-NOISE(PN)RANGING SYSTEMS [S].CCSDS,2009.

[5]Robert C Titsworth.Optimal ranging codes[J].IEEE trans on space electronics and telemetry,1964,10(1):19-30.

[6]Martin-Mur T J,Antreasian P,Border J,et al.Use of very long baseline array interferometric data for spacecraft navigation[C]∥19th International Symposium on Space Flight Dynamics.Kanazawa,Japan:[s.n.],2006.

[7]Fomalont E,Martin-Mur T J,Border J S,et al.Spacecraft navigation using the VLBA[C]∥10th European VLBI Network Symposium and EVN Users Meeting:VLBIand the new generation of radio arrays.Manchester,UK:[s. n.],2010.

[8]Duev D A,Calves G M,Pogrebenko S V,et al.Spacecraft VLBI and Doppler tracking:algorithms and implementation [J].Astronomy&Astrophysics,2012(541):A43.

[9]Consultative Committee for Space Data Systems.CCSDS 734.0-G-1 Rationale,Scenarios,and Requirements for DTN in Space[S].CCSDS,2010.

通信地址:北京5131信箱1号(100094)

电话:(010)66361003

E-mail:dongguanglia@bittt.cn.

[责任编辑:宋宏]

Development of New Technology in Deep Space TT&C

DONG Guangliang
(Beijing Institute of Tracking and Telecommunications Technology,Beijing 100094,China)

The TT&C system is an indispensable part of deep space exploration project with its navigation and telecommunication performance being the key factor for mission success and science output.In condition of faraway distance,long delay,feeble signal and easy discontinuity,developing and applying a series of deep space TT&C new technologies,such as antenna array,regenerative pseudo-noise(PN)ranging,connected-element interferometry, phase-referencing interferometry and delay-tolerant network,can provide high precision navigation methods and high rate data transmission capabilities for future deep space exploration missions.

deep space TT&C;antenna array;regenerative pseudo-noise(PN)ranging;connected-element interferometry(CEI);phase-referencing interferometry;delay-tolerant network(DTN)

V11

:A

:2095-7777(2014)04-0243-07

10.15982/j.issn.2095-7777.2014.04.001

董光亮(1966—),男,硕士,研究员,主要研究方向为航天测控、轨道动力学。

2014-10-14

2014-11-30