航天测控领域的“风筝线”——天线组阵技术

2015-08-06 10:45 院校科研   

导读如果把发射的航天器比作“风筝”,那么传递天地间信息的航天测控通信无疑是一根看不见的“风筝线”。要想使风筝飞得又高又远,离不开高强度的风筝线。航天测控通信就类似于此。  

“谁掌握了太空,谁就掌握了地球。”目前,深空探测活动已经覆盖了太阳系各种类型的天体,尝试了飞越、撞击、环绕、软着陆、巡视、采样返回等多种探测方式。随着深空探测的不断发展,对地面的测控通信能力也提出越来越高的要求。天线组阵是测控通信领域前沿技术之一,就是利用分布在不同地点的多个天线组成天线阵列,发射或接收同一信号,并在接收端进行合成聚力增效,从而获得更高的信号质量,保证和深空探测器之间可靠的信息流。

“风筝”越飞越远,“风筝线”已达到强度极限

如果把发射的航天器比作“风筝”,那么传递天地间信息的航天测控通信无疑是一根看不见的“风筝线”。要想使风筝飞得又高又远,离不开高强度的风筝线。航天测控通信就类似于此。

一方面是国际深空探测发展日新月异,“风筝”越飞越远。今年3月,在历时11年零2个月后,美国“机遇号”火星车在火星表面完成长达26.219英里的“马拉松”漫游,进行了一系列重要探测任务。“卡西尼号”探测器飞抵土星,并成功释放“惠更斯号”探测器着陆“土卫六”。俄罗斯也正在与欧洲航空局合作,计划于2016年和2018年进行火星探测发射,同时也将金星和木星列入探测对象。荷兰独立太空发射公司、美国SPACeX太空公司分别宣布了火星“殖民计划”,计划在未来数十年内向火星送去人数不等的“殖民先驱”。

另一方面是逐渐延长的深空探测距离,挑战着航天测控通信技术极限,呼唤可靠结实的“风筝线”。国际上,对深空所定义的最近距离是200万千米,我国于2000年发布的《中国的航天》白皮书指出:深空探测是指对太阳系内除地球外的行星及其卫星、小行星、彗星的探测,以及太阳系以外的银河系乃至整个宇宙的探测。深空探测由于信号路径损失非常严重,信号到达地球时已十分微弱。以距离最近的月球为例,探测器发回的信号与发射同样功率的地球同步轨道卫星信号相比,强度只有原来的1/127;如果要是接收距离超过6千万千米、来自火星探测器的信号,这一数值将变为惊人的124万分之一。

提高“风筝线”强度,把多股线绞在一起是个好办法

天线组阵就是把多股“风筝线”绞在一起的一种前沿技术。该技术利用分布在不同地点的多个天线组成天线阵列,发射或接收同一信号,并在接收端进行合成,从而获得更高的信号质量,实现对深空探测器的有效测控。

可以看出,在目标作用上,天线组阵技术和加大天线口径等传统技术是一致的。优点在于,相对于把一股线制作得很粗,把多股线绞在一起是个更经济有效的办法。

具体来说,天线组阵技术具有以下优势:

——可以增加口径效率。相对于大口径天线由于运行成本高,只适合从事技术要求较高的任务来说,天线组阵具有较高的资源使用效率。

——系统可用性更高、维护更便捷可靠。如同多股风筝线中的一股断掉不会导致风筝失控一样,使用天线阵列,其中某个天线的失效不会导致整个系统瘫痪。

——可以通过使用更小口径的天线来降低成本。从重量和尺寸考虑,小口径天线更容易建造,制造过程可实现批量化、自动化,从而使成本大大降低。

——天线组阵还可以提高系统的可操作性和计划的灵活性。新增加的天线单元对正在执行任务的设备不会有任何影响,可以根据不同任务需求设计不同的组阵方案和工作计划安排。

由于这些优点,天线组阵技术已经成为深空测控通信技术发展的一个重要方向。美国航空航天局从20世纪60年代起,就开始研究天线组阵技术,“旅行者2号”在80年代后期抵近天王星和海王星时,就曾依靠地面天线组阵提高返回的数据量。

为了控制这些遥远的“风筝”,我们就需要质量更高的“风筝线”。

对此,测控通信领域采取多种技术措施来改善深空探测的质量。其中,很重要的一种方法是加大天线的口径,相当于我们用更大的喇叭来喊话(发射更强的信号保证航天器可靠接收)或者用更大的耳廓来听取微弱声音(接收时收集微弱的回传信号)。

灵活配置资源,异地组阵潜力巨大

相互距离几十甚至几百千米以上的天线组阵为异地组阵。异地天线组阵是利用分布在不同地点的多个天线组成天线阵列,接收来自深空探测器发送的信号。

异地组阵可根据任务需求灵活配置天线,充分发挥现有设备的效益。相对于本地组阵,异地组阵还大大提高了系统的抗毁能力。

技术进步越快,遇到的问题必然越多。尽管异地组阵优势明显,但仍存在一些急需解决的技术难题。比如,天线之间的距离远了,所在地的大气特性等外部环境必然存在差异,而这些差异对信号传输都会造成影响。与此同时,由于天线接到指令的时间有误差,异地组阵信号还存在传输时间频率不同步问题。

标签:  航天测控[3]    天线组阵[11]
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