基于深空探测器下行信号的太阳风观测及通信链路的影响综述*

唐云秋，孔德庆

(1. 国家卫星气象中心/国家空间天气监测预警中心，北京 100081；2. 中国科学院国家天文台，北京 100012；3. 中国科学院月球与深空探测重点实验室，北京 100012)

CN 53-1189/P ISSN 1672-7673

基于深空探测器下行信号的太阳风观测及通信链路的影响综述*

唐云秋1，孔德庆2,3

(1. 国家卫星气象中心/国家空间天气监测预警中心，北京 100081；2. 中国科学院国家天文台，北京 100012；3. 中国科学院月球与深空探测重点实验室，北京 100012)

在上合期间，日冕和太阳风严重影响深空通信链路。论述了非均匀太阳风对深空通信的影响，综述了基于深空探测器下行信号的太阳风观测，以及通过反演技术进行太阳风和日冕特性研究的国内外进展。以我国的深空探测为背景，提出一套基于探测器下行信号的太阳风观测方案，并可利用现有探测器进行预先观测研究。在我国深空探测任务开始后，在数据通信和测轨的同时，进行全过程的观测实验。

太阳风；深空通信；强度闪烁；相位闪烁

随着月球探测工程的成功实施，拉开了我国深空探测的序幕，更远的火星以及其他行星际探测已经提到日程。与近地卫星通信相比，深空通信具有传输距离远、信噪比低、传输时延大等特点，而且受太阳风、日冕等太阳活动的影响，深空无线通信环境十分复杂，太阳风的大量不规则带电粒子导致无线电信号出现闪烁现象。尤其在上合期间(Superior Solar Conjunction, SSC)，当太阳-地球-探测器夹角(SEP)较小时，或当处于太阳活动周期时，有可能出现通信间歇式中断甚至完全中断的现象[1]。所谓上合即地球、太阳、深空探测器大致处于同一直线上，且太阳位于地球和探测器之间。图1为太阳风和日冕对深空通信的影响示意图。

由于绝大部分深空探测器在黄道面内运行，所以无可避免地会遇到上合问题。例如火星探测器约每两年出现一次上合现象，太阳-地球-火星(SEM)的最小夹角基本小于1°。在伽利略探测任务中，上合的一个月之前便出现了明显的下行链路衰减；在5天前(SEP角为2.9°)，已经无法跟踪遥测信号；直到 7 天后(SEP角为5.8°)才又重新获得遥测信号[2]。对于地内行星和太阳本身的探测， 太阳风和日冕对通信链路的影响更加明显。太阳探测器(Solar Probe)距离太阳表面的最近距离为几个太阳半径，任务成功的关键决定于空间天气对通信链路的影响程度。图2给出了Cassini号2000年观测的太阳风对信噪比(SNR)的影响情况，信噪比的波动最大超过10 dB[3]。

同时，太阳风和日冕对通信的影响反映了其内部的不规则结构，通过反演技术可以实现对太阳风和日冕的探测。太阳风和日冕的观测在太阳演化、太阳外层大气、日地空间及地球物理研究中有重要的意义。传统的利用射电源进行的行星际闪烁观测，只能进行强度闪烁的测量，而当太阳-地球-射电源夹角较小时会出现饱和现象，不适合近日点的观测。而利用深空探测器下行信号不仅可以实现强度闪烁测量，还可以实现相位闪烁(多普勒闪烁)、频谱扩展和法拉第旋转的观测。相位闪烁和频谱扩展不仅反映了不规则分布的等离子体密度起伏，还与太阳风速度有关，且频谱扩展和相位闪烁不会饱和，因此对近太阳区域的探测意义重大。强度闪烁和频谱扩展反映了小尺度等离子体密度的起伏，而相位闪烁能反映所有尺度的等离子体密度起伏，所以相位闪烁对探测太阳风特性具有更重要的意义[3]。

图1 太阳风及日冕对深空通信的影响示意图

Fig.1 Illustration of the geometry of impact of solar winds and the solar corona on deep-space telecommunications

图2 太阳风引起的信噪比波动(Cassini号， X频段)[3]

Fig.2 Fluctuations of SNR for signals from the Cassini in the X band induced by solar winds[3]

基于深空探测器下行信号的观测是对常规日冕物质抛射、日球电流片等太阳活动观测的重要补充。随着距离的增加，太阳外层大气的亮度急剧下降，地面望远镜无法实现较远距离太阳大气的有效观测；同时由于环境恶劣，很难利用探测器进行直接测量；而利用无线电信号的观测可以弥补这一不足，并且还可以与地面望远镜对近日点太阳风进行联合观测。

我国还没有开展利用深空探测器下行信号进行太阳风和日冕观测的研究。因此，以我国的深空探测为背景，开展基于探测器下行信号的太阳风观测研究，具有很大的理论和实用价值。

1 太阳风对深空通信信号传播的影响

太阳风中带电粒子密度不均匀，并且在太阳磁层内部伴随着明显的波动。观测表明，太阳风等离子体密度大致随径向距离的平方反比下降，在4个太阳半径内，带电粒子密度起伏极不规则。当信号穿过这一区域时，信号的幅度、相位和频率将不可避免地受到太阳风的强烈影响[4]。在距离超过4个太阳半径的区域中基本呈平滑分布。

平滑分布的等离子体，对无线电信号传输的影响主要包括群延迟、色散、法拉第旋转和吸收等。当无线电信号穿过太阳风中的不平滑区域时，除了受到平滑分布时的影响外，还将出现强度闪烁、频谱扩展和相位闪烁等现象①。相对于非平滑分布的太阳风影响，平滑分布太阳风对信号的影响易于预测，且程度较小。

1.1 强度闪烁

当无线电信号靠近太阳风区域时，将被信号菲涅耳区(Fresnel Zone)的湍流介质散射。当无线电信号穿过这个区域时，由于电磁波路径以及波前相位改变将导致信号幅度围绕其平均值快速变化，从而引起信噪比(SNR)的瞬时下降。无线电信号的这种幅度起伏叫做幅度闪烁或强度闪烁。强度闪烁反映了太阳风中小尺度(小于菲涅耳区半径)带电粒子密度的起伏。强度闪烁采用闪烁指数m描述，其定义为信号强度起伏的均方根值与信号强度的平均值之比。

在弱闪烁区域(0

(1)

式中，k为波数；a1为常数系数；R为太阳中心到信号传输路径的最小距离；cn0是传输路径近日点的结构函数；L、L1和L2的定义如图1。

图3和图4分别给出了X和Ka频段闪烁指数随SEP角的变化曲线。其中，离散点是由历次深空探测器信号实际测量获得；实线是根据理论公式绘制的闪烁指数曲线[6]，一种简化的指数/多项式近似公式如下式：

(2)

式中，a1、a2、a3和a4为拟合的常数系数；θ为SEP角；θt为开始出现饱和(m=1)时的SEP角度。

1.2 频谱扩展

当接收的载波信号穿过非平滑分布的太阳风时，带电离子不均匀的折射率(或密度)会导致信号的多普勒频移，从而造成信号的半功率宽度增大，即频谱扩展现象。频谱扩展与太阳风密度波动和太阳风速度有直接关系，而强度闪烁系数只与太阳风密度波动有关[4]。

对于经典的Kolmogorov谱，载波信号经过太阳风引起的频谱扩展可表示为[7]

(3)

式中，v为太阳风速度。上式同时适用于强闪烁和弱闪烁的情况[8]。

图3 X频段闪烁指数与SEP角关系*http://deepspace.jpl.nasa.gov/dsndocs/810-005/fm.pdf

Fig.3 A curve of the X-band scintillation index vs. the SEP angle①

图4 Ka频段闪烁指数与SEP角关系*http://deepspace.jpl.nasa.gov/dsndocs/810-005/fm.pdf

Fig.4 A curve of the Ka-band scintillation index vs. the SEP angle*http://deepspace.jpl.nasa.gov/dsndocs/810-005/202/202B.pdf

在X频段，当SEP角大于1°时B通常低于2 Hz，当大于2°时B小于1 Hz；对于低于1°的情况，目前已知的当SEP角接近0.6°时，X频段的频谱扩展达到14 Hz。对于Ka频段，当SEP角大于0.7°时B通常低于1 Hz；低于0.7°时，目前已知的当SEP角接近0.6°时，频谱扩展达到2 Hz。

对于深空通信链路，频谱扩展显得并不是那么重要，因为当无线电信号传输路径距太阳比较近时，强度闪烁早已对通信链路造成了大幅衰减。但是在进行地面接收机载波跟踪环路带宽设计时，尤其是在S、X等频段 ，需要考虑由于频谱扩展引起的环路失锁问题。

1.3 相位闪烁

无线电信号穿过太阳风区域时产生的快速相位变化，叫做相位闪烁。相位起伏将导致无线电信号的频率变化。由于飞行器和地面相对运动会引起多普勒频移，相位闪烁可以看作是多普勒噪声，因此相位闪烁也叫做多普勒闪烁。测量相位闪烁的方法就是测量多普勒噪声。图5为Cassini号探测器2000年首次与太阳交会时的X频段和Ka频段相位闪烁(SEP=0.6°)。

文[9]给出了双向通信模式下的多普勒均方根值的估计公式：

(4)

式中参数含义与(1)、(3)式相同。从式中可以看出，相位闪烁和频谱扩展相似，与等离子体密度起伏和太阳风速度有关，而且同样不会饱和。

在导航系统中，为了通过相干获得更高的测量精度，一般采用双向闭环模式获得导航数据。但是，当闪烁较强的时候，必须谨慎地采取这种方式，因为过大的相位闪烁将使锁相环频繁产生跳周。因此，在近太阳区域探测时，必须采用单向开环(宽带)接收机遥测[4]。

综上所述，当信号传播路径接近太阳时，强度闪烁会造成信号信噪比的强烈波动；频谱扩展和相位闪烁会影响通信接收设备锁相环路的性能，导致锁相环相位噪声增大，从而恶化多普勒测量精度，增大锁相环失锁概率②。幅度闪烁、相位闪烁和频谱扩展都跟频率相关，提高通信信号的频率，可以有效降低不规则太阳风对链路恶化的影响。

图5 Cassini探测器首次与太阳交会时的相位闪烁(2000年，SEP=0.6°)[10]。 (a) X频段频率残余; (b) Ka频段频率残余

Fig.5 Frequency residuals of signals from the Cassini reflecting phase scintillations during the first solar conjunction of the Cassini (in 2000 with an SEP of 0.6°)[10]. (a) X-band frequency residuals. (b) Ka-band frequency residuals

2 国内外研究现状及发展动态分析

20世纪50年代已经开始利用射频信号的闪烁现象观测太阳风。最初利用射电源的闪烁现象，随着探测技术的发展，无线电信号为观测太阳风提供了更有利的手段。

1967年，文[11]第1次利用Mariner 4的观测数据研究了频谱展宽与日冕区整体电子密度的关系；文[9]利用探测器Helios 1和2获得了更多的近日区的频谱扩展测量数据，并对电子密度与日心距的关系进行了研究；文[12]利用测距数据对日冕区的电子密度进行了建模；文[13]利用Mariner 6、7和9上合时的观测数据研究太阳风中的电子含量；文[7]利用Pioneer-6的频谱扩展观测太阳风电子密度起伏的结构。文[14]利用探测器Nozomi上合时的双站观测数据对距太阳13～37个太阳半径的太阳风速度进行了测量，结果表明太阳风在13至30个太阳半径处被加速[14]。

文[15]给出了带电粒子对电磁波群速度的影响模型。在探测器Pioneer 6的上合期间，首次利用人工信号实现了日冕的法拉第旋转测量[16]；文[17]利用Helios任务中的法拉第旋转测量数据对日冕物质抛射中的磁场进行了研究；文[18]利用穿过日冕的极化信号对太阳表面的引力偏折进行了测量。

利用探测器Pioneer 10、Pioneer 11和Helios 1在上合期间的观测数据，文[19]研究表明，多普勒闪烁为太阳风湍流的研究提供了一个极好的手段。文[20]利用双频信号的相位闪烁观测研究太阳风中电子密度的大尺度起伏，文[21]利用多普勒闪烁观测行星际激波等。除了径向依赖性多普勒噪声，高动态的太阳风会导致多普勒噪声瞬变现象。统计研究表明，多普勒瞬态噪声的发生在很大程度上取决于太阳活动周期的阶段[22]。文[23]利用多普勒闪烁对外冕和太阳磁场(20～30R⊙)的超精细尺度的纤维结构进行了研究，无线电传播测量表明获得的最小日冕丝状结构的精细程度比太阳成像高两个数量级。

根据遥测数据统计特性，文[2]结合太阳探测器轨道的几何模型建立了无线电信号幅度起伏的模型，研究了太阳风对通信链路的影响。NASA在深空探测中进行了一系列研究太阳风对深空通信链路性能影响的实验，其中主要有NEAR[24]、MGS[9]和Cassini[1,25]等探测器聚合时的实验。文[4]提出了太阳风弱闪烁下的深空通信信道模型，但没有分析强闪烁的情况，而实际上弱闪烁对通信链路的影响较小，强闪烁以及日冕物质抛射、日球电流片等太阳活动对通信链路的影响更加致命。

文[26]分析了空间天气小尺度的密度变化与太阳的关系以及对深空通信的影响，并提出利用这些观测数据对通信链路影响进行预测的可行性。基于深空探测器信号的太阳风观测数据，与同时观测的太阳和日冕望远镜的测量数据进行比对，研究了信号闪烁与太阳活动的相关性。图6展示了对1997年的一次日冕物质抛射进行观测所获得的资料。其中，太阳和日球天文台(SOHO)先观测到日冕物质抛射的发生和传播，如图6(a)；在约20 h之后，从伽利略号的多普勒观测数据中也得到了抛射物质导致的闪烁突然增强现象，如图6(b)；通过探测器信号与太阳的距离，可以实现日冕物质抛射在远离太阳后的传输速度的测量，如图6(c)，而此时由于亮度太小，日球天文台已无法直接对其进行观测。上述实例可以说明，通过与光学、射电等太阳和日冕观测设备的测量数据的联合研究，实现对一些太阳活动的反演，以及对通信链路影响的预测是可行的。

图6 日冕物质抛射的观测[26]。(a) 日冕物质抛射(SOHO LASCO); (b) 多普勒闪烁(伽利略号); (c) 传播时间与距离关系

Fig.6 Some CME (Coronal Mass Ejection) observations[26]. (a) CME events observed by the SOHO/LASCO; (b) Doppler scintillations measured by the Galileo; (c) A diagram showing CME propagation

目前，我国还没有开展利用深空探测器下行信号进行太阳风和日冕等太阳活动的观测研究，对通信链路影响的研究也开展得很少。因此，针对我国的深空探测计划，开展太阳风和太阳活动的观测与反演研究，及其对通信链路的影响研究具有非常重要的意义。

3 观测方案

针对我国将来的火星、小行星和太阳等深空探测计划，可充分利用国际上现有的或即将发射的深空探测器，进行预先观测实验。火星将在2015年6月和2017年7月出现上合现象，金星将在2014年11月和2016年6月上合，木星的上合时间为2015年8月、2016年9月和2017年10月。可充分利用这些时机，分别对好奇号、火星快车、金星快车、Juno号以及其它适合观测的深空探测器进行预先的观测实验；在我国深空探测任务发射后，应在数据通信和测轨的同时，进行全过程的观测实验。

观测实验以密云站的50 m、云南天文台40 m或其他大型天线作为接收设备，研制实时观测系统，进行大量的单站实时观测实验。另外，充分利用我国的VLBI观测网和终端记录设备进行一定的非实时的多站观测实验，观测完毕后利用数据处理软件进行事后数据处理。多站观测实验的主要目的，一是可以通过多站的数据相关进行太阳风传播速度和方向的观测，与单站太阳风速度的反演结果进行对比；另外可以观测太阳风对VLBI测量的影响程度，以及群时延和相位差的补偿效果。

测量项目应包括强度闪烁、多普勒闪烁和频谱扩展，并同时对测控信号和数传信号进行观测。图7为基于深空探测器下行信号的太阳风单站观测系统示意图。在实际观测中，下行信号一般为多路信号，为方便在图中只给出了一路信号的处理设备。频率和时间模块利用站内现有的VLBI氢钟设备和时统系统，为下变频器和采集卡(ADC)提供频率标准。信号经放大和下变频后，经由ADC采样后由现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)进行后续信号处理。现场可编程门阵列主要包括快速傅里叶变换、功率谱估计与积分、信噪比估计和数字锁相环等模块。原始数据和处理完成后的载波相位、信噪比和功率谱等数据被记录到高速存储设备内。数据处理计算机实现对观测数据的后处理，包括太阳风特性反演、数据管理等工作。

图7 单站观测系统示意图

Fig.7 A block diagram showing a single-station observation system for studying solar impact on deep-space telecommunications

4 结论与展望

综上所述，在上合期间太阳风和日冕物质抛射会导致深空通信链路的严重恶化。另一方面，太阳风和日冕对通信的影响反映了其内部的不规则结构，通过反演技术可以实现对太阳风和日冕的探测。由于频谱扩展和相位闪烁不会饱和，因此对近太阳区域的探测意义重大。基于深空探测器下行信号的观测还是对常规日冕物质抛射、日球电流片等太阳活动观测的重要补充。

加强利用探测器下行信号开展日冕和太阳风的观测研究，无论对我国将来的深空通信，还是太阳风的特征研究都具有非常重要的意义。后续工作以我国即将进行的火星等深空探测为背景，研制观测设备，利用大型射电望远镜对国际上现有的或即将发射的深空探测器，进行预先观测实验和研究。在我国深空探测任务开始后，在数据通信和测轨的同时，进行全过程的观测实验。

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A Review of Observations of Solar Winds and Solar Impacton Deep-Space Telecommunications Using DownlinkSignals From Space Probes

Tang Yunqiu1, Kong Deqing2,3

(1. National Center for Space Weather, National Satellite Meteorological, Center of China, Beijing 100081, China,Email: tangyq@cma.gov.cn; 2. National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences,Beijing 100012, China; 3. Key Laboratory of Lunar and Deep-Space Exploration,Chinese Academy of Sciences, Beijing 100012, China)

Deep-space telecommunications will be severely affected by solar winds and the solar corona during a Superior Solar Conjunction. In this paper we discuss effects of inhomogeneous solar winds on signals in deep-space telecommunications. The effects include intensity scintillations, phase scintillations, and spectral-broadening phenomena. We then give a comprehensive review of observations of signal scintillations induced by solar winds and solar coronal events using downlink signals from deep-space probes. Our review is based on our investigation of dozens of papers related to the subject. We propose a scheme to observe signal scintillations using communication signals of existing space probes. The scheme aims to advance the Chinese deep-space exploration plan. The scheme can be applied in conjunction with data communications and orbital measurements of deep-space probes once the Chinese deep-space exploration starts.

Solar wind; Deep-space telecommunication; Intensity scintillation; Phase scintillation

国家自然科学基金 (10903016, U1431104) 资助.

2014-10-16；修定日期：2014-11-09 作者简介：唐云秋，女，高级工程师. 研究方向：空间天气. Email: tangyq@cma.gov.cn 通讯作者：孔德庆，男，高级工程师. 研究方向：射电天文技术. Email: kdq@bao.ac.cn

O451

A

1672-7673(2015)03-0355-09