【航天甲子年50讲】 15 星际”WiFi“深空网



文:晟宇(视频讲解)

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前言


今天是我们关于深空的最后一次分享,想要和大家分享的是深空网。我们的深空探测器飞了那么远,经过了那么复杂的控制过程,终于拍下了遥远星球的美照,就要解决怎么把这些图像和数据传回地球的事情了,这就是深空网发挥作用的地方了。


我要WiFi传美图


深空网就是太阳系的“WiFi”,深空探测器要发个信儿,传个图全靠它了。





深空的特点就是啊,所以要把图像从那么远的地方传回来就要克服远的问题。同时远也带来了巨大的时间延迟,因为通过电磁波传输的信息是以光速来传播的。更重要的是那么远的传输距离带来了巨大的信号损耗。及好像拿了一个手电筒从几百层的高楼找地面一样,到地面的光线已经弱的微乎其微了。






因此那些应用于近地轨道的通信和测控系统面对深空就没法用了,几万公里和上亿公里区别还是很大的。


那具体为什么呢?


因为我们在上一讲里说过,深空探测器一般都尽量设计的精简,像旅行者号那样拥有3.4m口径天线的深空探测器已经非常厉害,可是飞到了太阳系的边缘,信号依然非常的微弱,只能维持kb乃至以下的传输速率。



为了支持这些深空探测器,让辛苦飞越上亿万公里获取的珍贵影像和数据可以传输回到地球,就有了深空网 Deep Space Network(DSN)的建立。



遍及全球


开展深空探测的国家都有深空网技术的计划与举措,然而直至今日真正实现全球深空网络建设的还是只有美国。在全球拥有3个深空网的站点。


DSN由有着悠久历史的JPL运行管理,3个地面终端设施, 分别位于美国本土的金石、澳大利亚的堪培拉和西班牙的马德里






为什么需要3个地面终端设施呢?


聪明的你一定猜到了,地球会自转嘛,转到背面就没法和深空探测器通信了,所以就需要在地球表面均匀的设置至少3个地面设施才能保持和深空探测器的持续通信。他们之间在经度上各自分隔120度,每一个地面设施都由多个DSS深空站天线构成。


每个地面设施包含不同类型的天线,例如4个12m天线组成的天线阵列用于低轨道的测量。一个34m的高效率天线、一个34m的波束波导天线和一个70m的天线,用于深空通信,也开展一些射电观测任务。






用于升空通信的主要是34m和70m的天线。控制中心远程控制34m和70m天线,产生并发送航天器指令,接收并处理航天器遥测。



正是由于深空探测器越飞越远,所以才不断建设越来越大的天线。那是由于既然没有办法提高探测器的信号就只好提高地面系统的性能。


那么地面提高性能最为直接方法就是两个:

  • 增大天线的口径
  • 增加地面天线的发射功率


当然实际采取的措施还有很多,比如优化天线系统的设计,例如BWG天线,采用一系列微波反射面,从反射器表面将能量引导到主结构下受控的一个焦点上。天线采用新结构和材料使G/T值更加优化。但是这些方法的优化都是有限的,没有突破微波传输的原理。





分布全球的DSS获取的各种数据都汇聚到JPL统一处理,这些数据包含了频率和时间数据F&T,这是保障精度的关键所在;跟踪数据TRK包含了多普勒、测距、预测和DSN天线控制;遥测数据TLM包含了飞行器的状态和科学数据;指令数据CMD是上行数据,通过CMD对深空探测器进行任务安排和指令控制;监测数据MON是对DSN系统自身的运行和控制监测数据;无线电科学数据RS是利用飞行器和DSN的无线电数据进行空间无线电现象分析的数据类型;深长基线干涉数据用于高精度的测量。


甚长基线干涉测量技术(VLBI,very long baseline interferometry)是把几个小望远镜联统一,达到一架大望远镜的观测效果。90年代,美国DSN的VLBI测角精度就达到了5nrad,对应火星的测距误差达到2.06km。





VLBI能实现越长的基线效果越好,同时制约VLBI测量精度的还有时间精度,所以随着我们制造的时钟时间精度越来越高VLBI的测量精度也在不断提升。


激光是未来的方向


时至今日,射频RF通信在深空探测中的局限性越来越明显。一方面在地面维持越来越大越来越多的天线系统要不断付出高昂的维护和新建的成本,另外一方面系统的通信能力并没有质的提升。





因此不同的国家和组织都积极的开展新技术的研究,而这里面最有潜力的就是深空的激光通信。


由于光有着比RF高的多的频率因此可以有更多的信息位。同时激光可以实现更小的波束,从而使得能量更集中,能量更集中就可以使有限的能量下实现更好的传输能力。



建设太阳系的信息基础设施





SCaN(Space Communications and Navigation Program)是NASA规划的未来太阳系的集成通信架构。


这玩意儿就是太阳系的信息高速公路计划。


SCaN的目标是几个:首先呢整合现有的资源将近地网,空间网和深空网融为一体。然后呢形成新的架构让太阳系里的的通信不再有障碍,什么月球网啊,火星网什么的都建立起来。接下来就是让更多的国家加入到这个框架中去,来建设能够支持未来更加复杂深空探测活动的信息基础。


那么说了那么多关于网络啊,通信啊的内容,那么从下一期开始我们就来聊聊通信卫星吧。


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参考文献


  1. DSN NASA
  2. 百度百科
  3. wiki百科
  4. SCaN NASA
  5. Large Antennas of the Deep Space Network
  6. How we get pictures from space

最后还要感谢莫总之前关于测控通信的技术分享。



[航天甲子年五十讲] 往期回顾


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晟宇将在2018年的1月21日,星期天的晚上19:00在知乎和Live和大家分享地球自拍历-遥感卫星。欢迎参加~


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