耿虎軍

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；

2. CETC航天信息應(yīng)用技術(shù)重點實驗室，河北 石家莊 050081)

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星際探索中的電子技術(shù)

耿虎軍1,2

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；

2. CETC航天信息應(yīng)用技術(shù)重點實驗室，河北 石家莊 050081)

摘要各種各樣的深空探測器持續(xù)地擴展著人類的認(rèn)知范圍。通過對幾次典型深空探測活動的成敗分析，總結(jié)電子技術(shù)在星際探索任務(wù)中所起到的作用，分析星際探索任務(wù)中電子設(shè)備應(yīng)用所獲得的經(jīng)驗和啟示。認(rèn)為電子設(shè)備的功能、性能、壽命、可靠性是星際探索任務(wù)成敗的決定性因素，電子技術(shù)甚至成為了限制星際探索能力的一個瓶頸。進而論述了未來深空探測任務(wù)對電子技術(shù)發(fā)展的需求，以期對未來電子系統(tǒng)的研制有所借鑒。

關(guān)鍵詞電子技術(shù)；星際探索；深空測控；激光通信；星際網(wǎng)絡(luò)

0引言

星際探索是人類對地球以外天體和空間進行探測的活動。它通過對地球以外的行星及其衛(wèi)星、小天體和矮行星以及太陽系外宇宙空間等的探測，探究太陽系及宇宙的起源與演化、太陽及小天體活動對人類生存環(huán)境的災(zāi)害性影響、太陽系生命的起源與演化等重大科學(xué)問題，為人類可持續(xù)發(fā)展服務(wù)。

深空探測活動的實施一般按照系統(tǒng)工程的原理進行組織，分為5大系統(tǒng)：深空探測器系統(tǒng)、運載火箭系統(tǒng)、發(fā)射場系統(tǒng)、測控通信系統(tǒng)和地面應(yīng)用系統(tǒng)。從工程組織的角度，人們難以完整地理解電子技術(shù)對于星際探索任務(wù)的重要性。從學(xué)科分類的角度審視星際探索任務(wù)，可以看到電子技術(shù)滲透到5個工程組織系統(tǒng)中的每一個部分，并且伴隨深空探測活動的整個生命周期。

1令人驚嘆的深空探測任務(wù)

一直以來，人們以各種方式認(rèn)識著太空，從肉眼觀察發(fā)展到望遠(yuǎn)鏡觀察，從探測器抵近觀察到人類直接登陸地。而無線電技術(shù)的發(fā)展，極大地推動著人類星際探索的進程。

1.1飛行了38年的深空探測器

2013年9月13日，美國航空航天局(NASA)宣布：旅行者一號已經(jīng)離開太陽風(fēng)層，正式成為第一個進入星際空間的人造物體[1]。權(quán)威專家認(rèn)為進入星際空間是歷史性飛躍。

旅行者一號最初目標(biāo)是探測木星、土星、天王星和海王星。1977年9月5日升空，1979年2月到達(dá)木星上空，1979年11月飛到土星附近，后因增加了探測土衛(wèi)六生命跡象的任務(wù)，改變軌道繞飛土衛(wèi)六。在完成土星六探測后，旅行者一號沒有按原定計劃飛往天王星和海王星進行探測，而是直奔太陽系邊緣。它飛出太陽系后的主要任務(wù)是測量宇宙光束粒子、探測太陽風(fēng)和其他恒星風(fēng)之間的作用。

旅行者一號有2項主要措施使其能夠長時間工作：① 攜帶了足夠多的能源，并且一旦完成了某項任務(wù)，就關(guān)閉相應(yīng)的設(shè)備以節(jié)省能源；② 使用了可靠的電子器件，一直到現(xiàn)在它們都在穩(wěn)定、可靠地工作，并且在飛躍木星時，有效地抵抗了來自木星的強烈射線輻射。

2004年，旅行者一號的定位系統(tǒng)出現(xiàn)故障，需要啟用后備系統(tǒng)。時隔20多年之后，后備系統(tǒng)能否正常工作讓人十分擔(dān)心。轉(zhuǎn)換過程中，飛行器電腦將太陽當(dāng)成了地球，差點兒使飛行器和地面失去聯(lián)系。幸好地面控制人員在完全啟用后備系統(tǒng)前，設(shè)置了15 min的間隙分析數(shù)據(jù)，以決定切換是確認(rèn)還是放棄。地面控制中心利用這一間隙，啟用回轉(zhuǎn)儀穩(wěn)定飛船，最后順利啟動了后備系統(tǒng)。

1.2驚險迭出的“隼鳥”探測器

2010年6月13日，日本“隼鳥”深空探測器在澳大利亞的伍莫拉沙漠著陸，帶回了絲川小行星1 000多個微米級的巖石微粒，這是人造飛行器首次與小行星接觸后回到地球[2]?！蚌励B”重510 kg，發(fā)射于2003年5月9日，在天外漂泊了7年，飛行60億千米，旨在驗證離子推進、自主導(dǎo)航、采樣和再入等技術(shù)。

“隼鳥”探測器任務(wù)過程中出現(xiàn)了很多故障，導(dǎo)致任務(wù)過程驚現(xiàn)迭出，能夠返回地球是一件非常不容易的事情。

發(fā)射后，2003年一次劇烈的太陽耀斑使得“隼鳥”探測器的太陽能電池發(fā)生損壞，影響了離子推進系統(tǒng)，導(dǎo)致抵達(dá)時間推遲了2個月。2005年7月31日，“隼鳥”探測器的一個動量輪由于摩擦太大而損壞。2005年底“隼鳥”探測器在絲川小行星周圍進行了約3個月的巡視勘測，在此期間，“隼鳥”探測器發(fā)生了長時間的通信中斷，只能實施自主光學(xué)導(dǎo)航。2005年11月20日，“隼鳥”著陸絲川小行星后，與地面失去聯(lián)系3 h，控制中心一度宣布“隼鳥”處于失蹤狀態(tài)。離開絲川后，“隼鳥”返航途中出現(xiàn)了多次技術(shù)故障，包括離子發(fā)動機故障、動量輪損壞、推進劑泄露、蓄電池喪失功能和通信中斷等，導(dǎo)致回歸時間推后了3年。返回地球途中，推進劑泄露導(dǎo)致探測器一直慢慢滾動，天線每6 min才有1 min對準(zhǔn)地球，給通信帶來巨大的困難。2009年11月最后一具發(fā)動機停止工作?！蚌励B”的離子推進系統(tǒng)有4個主噴管和4個小噴管，最終地面人員使用小噴管實現(xiàn)航向控制，使得“隼鳥”得以返航[3]。

雖然驚險跌出，“隼鳥”航天器依然向世界展示了日本的離子推進技術(shù)、小行星準(zhǔn)確定位技術(shù)、地面—太空遙控技術(shù)、星際光學(xué)自主導(dǎo)航技術(shù)、自主著陸智能機器人技術(shù)和返回地球技術(shù)。尤其是一度被認(rèn)為將“死于太空”的“隼鳥”號“起死回生”，展現(xiàn)出日本強大的太空裝備遙控能力[4]。

1.3生命力頑強的古老探測器家族

2001年4月位于西班牙馬德里的深空天線意外收到了一個異常微弱的信號，經(jīng)查證該信號是與控制中心失去聯(lián)系8個月的“先鋒十號”[5]。截至2002年，“先鋒十號”已經(jīng)在太空中超限服務(wù)30多年，它與“旅行者1號”、“旅行者2號”和“IMP-8號”都是拒絕死亡的精英飛行器。

“先鋒十號”發(fā)射于1972年3月2日，目標(biāo)是探測水星。2002年3月2日，地面控制中心依然能夠與它進行無線電信號的溝通。因為距離長達(dá)120億千米，溝通一次事件長達(dá)22 h，但是“先鋒十號”的回答清晰準(zhǔn)確。2003年1月22日，NASA又一次收到“先鋒十號”來自123億千米遠(yuǎn)太空的微弱信號。

1997年，經(jīng)過25年的宇宙航行之后，“先鋒十號”用于和地面站之間建立聯(lián)系的定向天線指向逐漸發(fā)生了偏移。重新對天線定向，使得“先鋒十號”面臨著巨大的風(fēng)險。在定向過程中，需要反復(fù)關(guān)閉它的測控設(shè)備，以提供定向操作所需要的足夠能量。反復(fù)關(guān)閉測控通信設(shè)備，可能產(chǎn)生熱震蕩，從而導(dǎo)致測控通信損壞。經(jīng)過90 min的操作之后，遲暮之年的“先鋒十號”經(jīng)受住了考驗，完成了天線重新定向操作。

后來發(fā)射的旅行者“長生不老”的部分原因是他們的設(shè)計參照了“先鋒十號”、“先鋒十一號”發(fā)回的太空環(huán)境信息。2個先鋒都發(fā)現(xiàn)，木星的輻射帶遠(yuǎn)比人們預(yù)計的密集得多。旅行者采取了充分的防輻射措施，采用能夠有效防輻射的光學(xué)玻璃和電子原件?？紤]到飛行器超期運行的可能，又在旅行者探測器上安裝了后備運行系統(tǒng)，以便地面控制中心能夠在必要時遠(yuǎn)程啟動。

1.4迄今最先進的火星巡視器

2012年8月，迄今為止質(zhì)量最大(3.257 kg)、性能最先進的火星探測器“好奇”號成功著陸火星?！昂闷妗碧柪脤?dǎo)航計算機、反沖推進火箭和“天空起重機”技術(shù)，實現(xiàn)了著陸火星方式的突破。

“好奇”號與地球的通信方式有2種：① 采用特高頻(UHF)頻段，通過在軌的火星軌道器中繼，完成與地球的測控聯(lián)系?；鹦擒壍榔髦饔谩盎鹦强辈燔壍榔鳌?，備用“奧德賽”軌道器，同時也可以通過歐州航天局的“火星快車”進行數(shù)據(jù)中繼服務(wù)。② “好奇”號采用X頻段直接與地球完成測控通信，并且在“好奇”號上有2付X頻段天線：1付寬波束、低增益天線和1付窄波束、高增益天線。

“好奇”號火星探測器配備很多先進的電子設(shè)備以及先進的計算機系統(tǒng)。美國三代火星車嵌入式計算機系統(tǒng)的性能比較[6]如表1所示。

表1　美國三代火星車嵌入式計算機系統(tǒng)的性能比較

2深空探測任務(wù)中的電子設(shè)備

深空探測器飛出地球軌道后，電子設(shè)備發(fā)揮著舉足輕重的作用，成為探測器生命延續(xù)的決定性因素，或者成為探測器起死回生的唯一手段。具體地說，它完成的工作包括：在整個飛行過程中進行高精度跟蹤測量，以準(zhǔn)確確定軌道并進行軌道機動控制和狀態(tài)監(jiān)視；在達(dá)到目標(biāo)后進行制動和入軌等操作；在探測過程中通過深空通信系統(tǒng)將操作指令發(fā)給科學(xué)儀器，以控制其進行科學(xué)探測，并將所獲取的科學(xué)探測數(shù)據(jù)傳回地球。

伴隨深空探測器整個生命歷程的電子設(shè)備包括：① 電源：核電源、太陽能電池和蓄電池；② 星載計算機系統(tǒng)；③ 各種無線電傳感器：測速、測距設(shè)備和陀螺等；④ 星載測控通信設(shè)備和天線；⑤ 大型地面測控通信設(shè)備和地面控制中心。

2.1旅行者等古老探測器給予人們的啟示

未來擺在旅行者一號面前的有2個困難：

① 電力的問題。2個探測器都由钚放射性衰變產(chǎn)生315 W電量，電量每年都會衰減4 W左右。為節(jié)約電力，旅行者一號在探測完土星及其衛(wèi)星后已陸續(xù)關(guān)閉了一些有效載荷，2020年還將關(guān)閉磁場和粒子探測設(shè)備，只留下紫外線探測設(shè)備繼續(xù)工作，直到2025年核電池耗盡。在2025年以后，將收不到旅行者一號發(fā)回的科學(xué)數(shù)據(jù)，但其工程數(shù)據(jù)還將在之后幾年中繼續(xù)傳回，它會繼續(xù)以17 km/s以上的第三宇宙速度向著銀河系的中心前進。

② 信號的接收問題。因為信號的強度與距離的平方呈反比，距離越遠(yuǎn)信號越弱。旅行者一號可以飛得無限遠(yuǎn)，但如果接收不到信號，那一切都沒有意義。旅行者一號發(fā)回的數(shù)據(jù)要用超過17 h才能傳回地球。目前發(fā)射信號的功率為23 W，相當(dāng)于冰箱內(nèi)燈泡的功率。現(xiàn)在NASA的深空測控站每天花費10 h以上的時間接收旅行者的數(shù)據(jù)。

旅行者一號現(xiàn)在和地球保持聯(lián)系的方式是通過電磁波發(fā)送不同頻率的單音信號，一個單音持續(xù)幾秒鐘完成一次傳送。旅行者探測器上的天線口徑為3.7 m，地面使用上百米口徑的深空天線才能完成這樣的信息收發(fā)。在旅行者一號這樣的距離上，完成如此低速的通信，已經(jīng)達(dá)到了目前人類通信手段的極限水平。

令人驚訝的是旅行者一號上電子設(shè)備的可靠性。在復(fù)雜的空間環(huán)境中飛行了38年之后，20世紀(jì)70年代的電子設(shè)備依然能夠正常工作。這對于旅行者一號上復(fù)雜的電子設(shè)備來講，是一件值得自豪的事情。另一個壽命更長的角色值得引起人們的注意：地面控制中心以及它的大型測控站。也許是由于它就在身邊便于維護，從而不讓人覺得它的長時間堅持工作使人驚訝，但它確實一直在照看著旅行者的一舉一動。

2.2 “隼鳥”等航天器給予人們的啟示

任務(wù)過程中，“隼鳥”的動量輪陸續(xù)損壞，地面人員通過測控鏈路完成飛行器的姿態(tài)調(diào)整。返航途中離子發(fā)動機故障，地面人員通過測控鏈路關(guān)閉了主發(fā)動機，調(diào)整程序使用平衡用的小噴管繼續(xù)返航，雖然推遲了3年，但是依然返回了地球。所有這些調(diào)整工作都是地面人員通過測控通信設(shè)施得到探測器的信息，綜合判斷故障后，制定策略，通過測控通信設(shè)施調(diào)整探測器上的計算機程序完成的。而與此形成強烈對比的是：返途中，時斷時續(xù)的測控通信限制，給返回控制增加了很多的困難；多次的通信中斷，使得人們一度宣布“隼鳥”失蹤?？梢婋娮釉O(shè)備在延續(xù)“隼鳥1號”的生命過程中起到了多么重要的作用。

2015年6月16日歐洲航天局宣布，通過新獲得的1 m分辨率火星表面圖像，發(fā)現(xiàn)了失聯(lián)10余年的“獵兔犬”號火星著陸器。圖像表明，“獵兔犬”號失聯(lián)的原因是太陽能電池板未能全部展開，導(dǎo)致和地球聯(lián)系的天線未能露出，未能和地球測控網(wǎng)建立聯(lián)系?？梢?，能源系統(tǒng)對任務(wù)來講的重要性體現(xiàn)在多個方面，影響任務(wù)的方式也會多種多樣。這也說明，和控制中心建立聯(lián)系是非常關(guān)鍵的。如果“獵兔犬”號能和地面控制中心聯(lián)系上，也許像“隼鳥”號一樣還有救。

相關(guān)的另一個案例是“伽利略”號探測器。它的高增益主天線出現(xiàn)了故障，僅能利用低增益天線與地球進行通信。因此，在整個小行星Gaspra的探測過程中，僅能拍攝4幅圖像。為了盡可能地提高圖像中的信息量，“伽利略”號采用了創(chuàng)新性的圖像拼接技術(shù)。事實證明，雖然僅有4幅圖像可用，但依靠單幀圖像拼接技術(shù)獲得的天體量測信息，“伽利略”號還是獲得了較高的導(dǎo)航精度，導(dǎo)航誤差約為10 km，這說明與地球的測控聯(lián)絡(luò)就是深空探測器的生命線。

2.3目前的深空地面測控能力

2.3.1NASA的深空地面網(wǎng)

NASA的深空網(wǎng)主要由經(jīng)度相隔約120°的3個基地組成，可以對深空目標(biāo)實施不間斷測控。這些基地裝備有高靈敏度的接收系統(tǒng)和大型天線，每個基地至少有4類天線：34 m高效天線、34 m波束波導(dǎo)天線、26 m天線和70 m天線。

通過采用VLBI測量技術(shù)，NASA在火星附近探測器的位置測量能力能夠達(dá)到1 km，木星附近達(dá)到幾km量級，火星軌道器的軌道測量精度優(yōu)于100 m。當(dāng)火星和地球距離較近時，火星軌道器和地面測控站之間能夠傳輸6 Mbps的數(shù)據(jù)。任務(wù)需求驅(qū)使NASA對深空地面網(wǎng)實施Ka頻段改造計劃，用具備Ka能力的34 m波束波導(dǎo)天線更換其老齡化的70 m天線，增強下行鏈路能力。

2.3.2ESA的深空地面網(wǎng)

2012年10月，歐空局(ESA)啟用了在南美洲阿根廷的35 m深空測控站(編號為DSA 3)，測控站天線高40 m，整體質(zhì)量610 000 kg，配置了冷卻到-285 ℃的低溫制冷低噪聲放大器，能夠接收到木星軌道以遠(yuǎn)航天器返回的超微弱信號，并在不同的功率范圍(最高20 kW)使遙控指令在太陽系內(nèi)傳播。

DSA 3與已有的澳洲西部新諾舍的DSA 1、西班牙塞布萊羅斯的DSA 2一起構(gòu)成了三站一體的深空地面網(wǎng)，為ESA深空任務(wù)提供全球性覆蓋。

2.3.3中國的深空地面網(wǎng)

在嫦娥月球探測任務(wù)的推動下，我國正在建設(shè)自己的深空測控網(wǎng)。目前，已經(jīng)建成喀什35 m S/X/Ka頻段深空測控站和佳木斯66 m S/X頻段深空測控站。預(yù)計2017年，位于阿根廷的35 m S/X/Ka頻段深空測控站將建成并投入使用。

2012年10月位于上海佘山的65 m射電望遠(yuǎn)鏡天線建成并正式啟用。該射電望遠(yuǎn)鏡工作頻率最高到Q頻段(40～46 GHz)，對應(yīng)的觀測波長范圍從最長21cm到最短7 mm。2013年12月全程參加了嫦娥三號著陸器和月球車X頻段VLBI測定軌測定位任務(wù)，明顯提高了VLBI的測量精度[9]。

深空測控網(wǎng)的初步建成標(biāo)志著我國的飛行器測控能力從地球周邊走向星際空間。深空測控網(wǎng)建設(shè)過程中，所涉及到的多項核心技術(shù)走到了世界前列。不僅僅是填補了我國深空站的空白，更重要的是通過它的研制，帶動了多項核心技術(shù)的發(fā)展和關(guān)鍵器件的研制，使我國測控通信領(lǐng)域從總體設(shè)計、核心技術(shù)、關(guān)鍵器件研制到檢測測試水平，都跨上一個新臺階。

3未來深空任務(wù)中的先進電子技術(shù)

未來深空任務(wù)中，深空探測器需要充足的能源供應(yīng)、性能強大的空間計算能力、高精度的環(huán)境感知與測量能力、高精度的測定軌能力、大容量的數(shù)據(jù)傳輸能力、連續(xù)可靠的測控聯(lián)系。這些電子技術(shù)的發(fā)展都會極大地推動星際探索的進步。

3.1空間能源技術(shù)

深空探測器對空間能源系統(tǒng)的需求主要表現(xiàn)在：功率需求大、持續(xù)時間長、可靠性要求高、環(huán)境條件適應(yīng)性強。星際探測可用的能源包括太陽能、核能和化學(xué)電池等。由于受到太陽光照射范圍的限制，太陽能在星際探索應(yīng)用中受到一些限制。羅塞塔木星探測器是最遠(yuǎn)的只靠太陽能源的航天器。獵兔犬是第一個僅靠太陽能源的火星著陸器。一些距離太陽更遠(yuǎn)的星際探索任務(wù)中只能依靠核能源。

3.1.1太陽能源技術(shù)

空間太陽能電池應(yīng)具備高的體積質(zhì)量效率、高能量轉(zhuǎn)換效率、耐輻射、低溫低亮度和高溫高亮度特性優(yōu)良的特點。目前，商用衛(wèi)星太陽能電源系統(tǒng)提供的功率一般為10 kWe左右，國際空間站太陽能電源系統(tǒng)的功率超過了100 kWe。已經(jīng)應(yīng)用過的小型空間太陽能電推進系統(tǒng)的太陽能電池功率約為20 kWe左右。火星星球表面應(yīng)用過的太陽能電源，在火星距離太陽為1個天文距離單位時，能夠提供約1.5 kWe的功率。

未來深空任務(wù)中的大功率電推進探測器需要更先進的太陽能電源[8]。距離較近的深空任務(wù)，電推進系統(tǒng)需要提供的功率大于40 kWe；而載人火星任務(wù)的電推進系統(tǒng)則需要提供大于250 kWe的功率。發(fā)射時，太陽能電池的收藏態(tài)功率密度需要達(dá)到40 kW/m3，同時這些電池必須能夠在穿越范艾倫輻射帶時，在電推進系統(tǒng)產(chǎn)生的等離子體范圍內(nèi)高效工作。此外，在星際探索任務(wù)中，伴隨著探測器到太陽距離的變化，光照條件和環(huán)境溫度(-130～250 ℃)都有著比較大的變化，這種情況下，都要求太陽能電池具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率。

3.1.2核能源技術(shù)

放射性同位素電源系統(tǒng)是適合深空探測的一種不依賴于太陽的可靠能源。放射性同位素電源系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：壽命長；可適應(yīng)各種工作條件，不受輻射影響；結(jié)構(gòu)緊湊，姿態(tài)控制簡單；可靠性高；動力可調(diào)；不產(chǎn)生噪音、振動和扭矩。因而非常適合在外層空間和行星表面的極端環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)。

深空探測任務(wù)是推動放射性同位素電源技術(shù)進步的主要動力。從1961年人們就開始在空間中使用它，一般能夠做到的功率容量為3～5 We/kg，效率約6%，壽命超過30年。深空任務(wù)需要將同位素電源的效率提高到12%以上，功率容量提高到8 We/kg，壽命高于14年。

NASA計劃發(fā)展的高效電源包括：采用高效熱電轉(zhuǎn)換器的eMMRTG-100同位素電源，輸出功率100 W，效率達(dá)到10%；ARTG-500同位素電源，輸出功率500 W，效率達(dá)到15%。而采用斯特林電能轉(zhuǎn)換裝置的ASRG-500同位素電源，輸出功率100 W，效率達(dá)到30%[8]。

載人火星任務(wù)需要電源系統(tǒng)提供kWe級到MWe級的功率，就需要考慮空間核裂變電源、空間核聚變電源或者其他更先進的手段。

3.2空間計算技術(shù)

空間計算系統(tǒng)管理探測器的所有任務(wù)，包括精密著陸、躲避危險、空間對接、環(huán)境分析和科學(xué)探測等等，因此需要高能源效率、高計算能力、強抗輻射能力和高容錯糾錯能力，同時盡量小型化。

受限于空間計算系統(tǒng)的能力，以往深空任務(wù)中的處理程序邏輯關(guān)系簡單、固定，現(xiàn)在的探測器智能化需求越來越高。探測器著陸天體時，進入、下降和著陸過程中需要連續(xù)處理視頻信號、各種超光譜、綜合孔徑雷達(dá)等高速傳感器數(shù)據(jù)；任務(wù)過程中，探測器要根據(jù)環(huán)境變化處理各種意外情況，完成模糊判斷、危險評估、任務(wù)規(guī)劃和故障管理等功能，要求空間計算系統(tǒng)具備模糊、分類和并行的計算特征。這些功能極大地增加了對空間計算系統(tǒng)的能力需求。

空間計算系統(tǒng)包括處理器、存儲器、軟件和通信網(wǎng)絡(luò)等部分。多核處理器是提高計算能力和容錯能力的一個技術(shù)途徑。處理能力的提高也需要高密度、大容量、抗輻射的存儲器。而軟件是提高深空探測器自主能力的核心，它需要錯誤校驗和恢復(fù)技術(shù)以保證飛行器功能的可靠性和安全性。高效、高速、可靠的通信網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)連通計算系統(tǒng)與各種傳感器和科學(xué)儀器的數(shù)據(jù)通道。

NASA的目標(biāo)是發(fā)展具備24GOPS/10GFLOPS計算能力，功耗7 W，具備支持軟件容錯構(gòu)架的多核計算架構(gòu)；內(nèi)存容量1 Gb，存取速度6.4 GB/s；存儲器1 Gb，存取速度500 MB/sec；通信網(wǎng)絡(luò)速率達(dá)到10 Gbps[10]。

3.3深空測控通信技術(shù)

深空測控通信設(shè)備包括探測器上的測控通信設(shè)備、空間傳輸與中繼網(wǎng)絡(luò)以及地面的測控通信設(shè)施。這些設(shè)備是溝通探測器與地球聯(lián)系的唯一通道。

3.3.1星際互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

星際互聯(lián)網(wǎng)作為一種通用的空間信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，旨在為深空探測任務(wù)提供通信服務(wù)，為探測器和軌道器提供導(dǎo)航服務(wù)。將深空測控網(wǎng)向星際互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)化，可以使深空內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸完全自動化。當(dāng)前，人們需要制定所有深空探測器的每一次測定軌和數(shù)據(jù)傳輸規(guī)劃[11]。

2012年11月9日，NASA宣布與ESA進行了一項模擬“星際互聯(lián)網(wǎng)”運行的實驗，由國際空間站乘員利用一臺電腦操控了一個歐洲太空控制中心的小型機器人。此次實驗驗證了通過星際“容延遲網(wǎng)絡(luò)”(DTN)，利用火星在軌衛(wèi)星操控火星表面機器人的功能。

DTN協(xié)議提供了類似互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化通信。不同于全球互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)接的TCP/IP協(xié)議，DTN旨在處理行星際通信期間可能突發(fā)的信號斷開、錯誤和延遲。當(dāng)航天器繞行在行星后面或遇到太陽風(fēng)時，常會發(fā)生故障，導(dǎo)致長期間的通信延遲。

相對于傳統(tǒng)的直接與地球通信而言，通過在火星軌道運行的航天器的中繼通信解決通信難題具有重要意義。NASA的火星環(huán)球勘測者(MGS)、火星勘察軌道器(MRO)和火星奧德賽(ODY)軌道器以及ESA的火星快車(ME)軌道器構(gòu)成初步的中繼通信體系，這一體系已經(jīng)成功地支持了好奇號、勇氣號和機遇號火星表面巡視探測器。中繼鏈路將使能量效率比深空鏈路提高一至兩個數(shù)量級[11]。

3.3.2空間激光通信技術(shù)

2013年NASA在LADEE月球探測器上完成了月球到地球的激光通信實驗，下行傳輸速率達(dá)到622 Mbps，上行傳輸速率達(dá)到20 Mbps。相對于LRO月球探測器的Ka頻段數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，該實驗的激光數(shù)據(jù)傳輸能力提高了3～6倍。該次試驗驗證了深空光通信中的2項關(guān)鍵技術(shù)：級聯(lián)編碼脈沖位置調(diào)制技術(shù)和超導(dǎo)納米線光子技術(shù)探測器(NbN、InGaAs或WSi)技術(shù)。

空間光子探測器需要提高的性能包括：效率、抖動、抗輻射特性、飽和特性和高溫工作特性等，同時需要提高大面積檢測器陣列的制造成品率。要在深空中廣泛使用激光作為信息傳輸手段，必須增加激光器的壽命(優(yōu)于10年)、提高激光器的能源效率(優(yōu)于30%)，以適應(yīng)深空探測的長時間任務(wù)需求。另外，大氣的云、水汽、大氣波動和大氣陽光散射對激光傳輸?shù)挠绊?，也是限制激光?yīng)用的主要因素，需要有相應(yīng)的技術(shù)手段克服這些困難。

激光測量系統(tǒng)可以達(dá)到比無線電測量系統(tǒng)更高的測量精度。但更高的精度也對激光系統(tǒng)提出了額外的要求，包括高帶寬的光子檢測器的響應(yīng)能力、精密的測量結(jié)果標(biāo)定能力以及遙控/遙測/測速/測距多功能融合的信號體制設(shè)計等[11]。

3.3.3高精度的時頻產(chǎn)生及分發(fā)技術(shù)

未來的星際探索中發(fā)展精確導(dǎo)航能力至關(guān)重要。NASA的最終目的是在太陽系內(nèi)實現(xiàn)ns量級時間同步精度[11]。太陽系內(nèi)ns級的時間傳遞可以為深空內(nèi)的探測器提供更高的位置測量精度，可以支持空間編隊飛行、支持自主導(dǎo)航、多探測器協(xié)同、探測器抵近與維護、探測器對接等功能。其中的關(guān)鍵技術(shù)包括：使得空間高性能石英鐘能夠適應(yīng)空間環(huán)境溫度的變化、適應(yīng)探測器磁場和電場環(huán)境、適應(yīng)空間引力影響以及空間輻射影響；降低空間原子鐘的復(fù)雜度和成本，同時提高空間原子鐘的性能；建立高精度的空間時頻傳輸網(wǎng)絡(luò)，其中的關(guān)鍵技術(shù)包括：時頻分布機制、誤差測量與估計方法、誤差補償與控制機制、高效網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等[16]。

NASA正致力于研發(fā)“深空原子鐘”(DSAC)，一個小型化汞離子原子鐘，其穩(wěn)定性比當(dāng)前最好的導(dǎo)航原子鐘高幾個數(shù)量級。一方面，深空原子鐘的應(yīng)用可以提高科學(xué)探測精度：通過使用單向無線測量鏈路，使在太陽系遙遠(yuǎn)星體的導(dǎo)航、重力學(xué)、掩星學(xué)準(zhǔn)確度提高10倍，并提高航天器精確地進入軌道或著陸在其他天體上的能力；另一方面，深空原子鐘的應(yīng)用使深空測控轉(zhuǎn)向更靈活、擴展性更強的單向無線導(dǎo)航體系，實現(xiàn)多任務(wù)共享測控網(wǎng)天線基礎(chǔ)設(shè)施，降低使用深空測控網(wǎng)的任務(wù)成本。

目前的時間保持和授時分發(fā)精度需要幾個數(shù)量級的改進，以提供更精密的星際測量數(shù)據(jù)。2010年英國國家物理實驗室利用光梳實現(xiàn)86 km光纖距離傳輸?shù)某€(wěn)定的微波頻率傳輸系統(tǒng)。從遠(yuǎn)端測量得到的時頻傳輸系統(tǒng)自身的頻率穩(wěn)定度達(dá)到4×10-17/1 600 s，時間抖動僅為64 fs。

3.3.4空間射頻技術(shù)

射頻一直是深空測控的主要支柱，將來仍將是深空測控通信體系結(jié)構(gòu)的重要組成部分。未來的深空探測任務(wù)需要提高2個量級的下行數(shù)據(jù)接收能力(達(dá)600 Mbps)，大幅度地提高上行數(shù)據(jù)傳輸能力，發(fā)展創(chuàng)新型的手段解決應(yīng)急測控問題，以提高深空任務(wù)的安全性，解決地球再入時的黑障通信難題[7]。

在空間段提高深空遠(yuǎn)距離測控通信性能的技術(shù)包括：① 空間高效功放技術(shù)，如高功率行波管放大器和分布式固態(tài)功放，行波管放大器效率提升到70%～75%，重量降低到4 kg。固態(tài)功放的效率提升到35%～40%，重量降低到1～2 kg；② 空間載大天線技術(shù)，如口徑大于5 m的可展開網(wǎng)眼天線或具有形狀記憶功能的聚合體微波天線面；③ 高效率調(diào)制和編碼技術(shù)；④ Ka頻段空間射頻應(yīng)用；⑤ 空間射頻小型化技術(shù)。

在地面段，提高深空遠(yuǎn)距離測控通信能力的技術(shù)有大口徑天線技術(shù)、天線組陣技術(shù)、大功率發(fā)射機技術(shù)和制冷接收機技術(shù)。

(1) 大口徑天線技術(shù)

提高人們與探測器溝通能力比較快的途徑是在地球上修建更大口徑的天線。我國正在進行FAST射電望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)，它是世界最大單口徑射電望遠(yuǎn)鏡[12]。另外，我國正在籌劃新疆奇臺110 m世界最大的全向可轉(zhuǎn)動射電望遠(yuǎn)鏡，工作頻段覆蓋150 MHz～115 GHz，可用于支持深空探測器的數(shù)據(jù)接收[13]。

(2) 天線組陣

由于體積、結(jié)構(gòu)、加工、重量和安裝等各方面的限制，地面站單個天線的口徑不可能無限擴大。利用大量較小口徑天線進行組陣以增加等效天線口徑是一種可行辦法。NASA在深空探測任務(wù)中多次采用了天線組陣技術(shù)。比如在旅行者二號探測海王星期間，NASA利用國家射電天文臺甚大陣的27個直徑25 m的天線，與戈爾德斯頓深空站的1個70 m、2個34 m天線進行組陣，以21.6 kb/s速率接收了從海王星傳回的一些旅行二號拍攝的高品質(zhì)圖像[14]。

我國也在積極進行天線組陣的技術(shù)驗證。在嫦娥工程的CE5-T1任務(wù)中，使用4個12 m天線接收數(shù)傳信號，在Eb/N0約為1.3 dB時，合成效率達(dá)到99.8%。嫦娥工程CE2任務(wù)中，利用VLBI的4個天線做異地合成實驗，在平均Eb/N0<1 dB時，合成效率達(dá)到99.23%。對于大規(guī)模天線組陣系統(tǒng)來說，單個天線接收信號十分微弱，這對信號合成技術(shù)提出了更高的要求。

在研究實踐下行天線組陣技術(shù)的同時，我國也在積極進行上行天線組陣技術(shù)研究及實踐。更高的上行鏈路的傳輸能力對于未來任務(wù)操作很重要，尤其是對于異常情況下的任務(wù)操作，可以通過提高發(fā)射功率或研制上行鏈路天線陣的方法解決這個問題。Ka等高頻段上行組陣的技術(shù)困難包括：各天線傳輸路徑中大氣延時隨時在變化、天線運動過程中的相心變化、電子設(shè)備的時延變化和各天線間的時頻同步變化，這些變化的補償精度直接影響上行組陣的空間合成效率和開環(huán)持續(xù)工作時間。上行天線組陣要求時頻同步精度能夠達(dá)到ps量級，實驗中達(dá)到了優(yōu)于1 ps的精度要求[15]。

(3) 大功率發(fā)射機

發(fā)射機是深空探測地面站重要的組成部分，是實現(xiàn)上行能力擴展的關(guān)鍵設(shè)備。目前的深空發(fā)射機，ESA在S及X頻段達(dá)到20 kW輸出功率[16]，俄羅斯在X、C、P頻段的輸出功率分別達(dá)到40 kW、50 kW、200 kW[17]，NASA在S、X頻段最大輸出功率分別可達(dá)400 kW、100 kW，NASA行星雷達(dá)系統(tǒng)X頻段連續(xù)波發(fā)射機輸出脈沖功率達(dá)到1 MW[18]，日本在S及X頻段達(dá)到40 kW輸出功率[19]。

未來的深空任務(wù)中，需要5 kW以上的Ka頻段連續(xù)波發(fā)射機提高上行傳輸能力，需要X頻段350 kW～2 MW功率的應(yīng)急發(fā)令、需要幾MW的脈沖發(fā)射機來完成太陽系邊界及星際飛行通信。

(4) 制冷接收機

接收機前端工作在低溫環(huán)境，能夠有效降低接收系統(tǒng)的噪聲溫度，提高系統(tǒng)的接收能力。目前噪聲最小的器件是行波脈澤放大器(TWM)，它能把沿調(diào)諧紅寶石晶體長度傳播的信號放大。TWM中的噪聲取決于寶石晶體的物理溫度，深空網(wǎng)中的這些晶體工作在4.2 K的液氦池中。

目前深空網(wǎng)用的較多的是冷卻到約15 K的高電子遷移率晶體管(HEMT)，雖然指標(biāo)稍差，但將HEMT冷卻到15 K的制冷設(shè)備要比TWM制冷設(shè)備簡單得多。國內(nèi)Ka波段整體饋源制冷低溫接收機噪聲溫度小于45 K[20]。

4結(jié)束語

星際探索任務(wù)具有距離遠(yuǎn)、信號微弱、任務(wù)時間長、工作過程復(fù)雜、環(huán)境條件復(fù)雜、未知因素多的特點。因為這些特點，對參與任務(wù)的電子設(shè)備提出了很多苛刻、甚至看上去不可能達(dá)到的要求。正是這些新要求，推動了電子技術(shù)在理論、設(shè)計、材料、工藝、加工和可靠性等各個方面的發(fā)展，取得原來不可想象的技術(shù)進步。

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耿虎軍男，(1971—)，碩士，研究員，畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)信息與通信工程專業(yè)，中國電子科技集團公司第五十四研究所副總工程師，總裝導(dǎo)彈航天測控通信專家組專家，全國“五一”勞動獎?wù)芦@得者。主要研究方向為航天測控專業(yè)，從事航天測控關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)總體研究。

參加過多項國家重大工程的測控設(shè)備研制工作，包括：載人航天工程、北斗導(dǎo)航工程、嫦娥探月工程、中繼衛(wèi)星工程、風(fēng)云二號氣象衛(wèi)星工程、風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星工程等，擔(dān)任多個地面測控系統(tǒng)的總設(shè)計師。獲得國防科工局“科學(xué)技術(shù)進步獎”二等獎、集團公司“科學(xué)技術(shù)獎”特等獎等多個獎項，獲得國防科技工業(yè)局探月工程三期論證優(yōu)秀個人稱號。

引用格式：耿虎軍.星際探索中的電子技術(shù)[J].無線電工程,2016,46(1):1-7,49

Electronic Technology Throughtout Interstellar Exploration

GENG Hu-jun1,2

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China;

2.CETCKeyLaboratoryofSpaceInformationApplicationTechnology,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractA variety of deep space explorers are widely enlarging the cognition range of human being.By analyzing the success and failure of several typical deep space exploration activities,this paper summarizes the role of electronic technology in interstellar exploration missions,and analyzes the experiences and revelations from electronic equipment application.The function,the performance,the lifetime and the reliability are the factors determining the success or failure of the interstellar exploration missions.The electronic technology has even become a bottleneck in limiting the exploration capability.Finally,this paper discusses the requirements of electronic technology in future deep space exploration mission.

Key wordselectronic technology;interstellar exploration;deep space TT&C;laser communication;interstellar network

作者簡介

收稿日期：2015-10-12

中圖分類號TN923

文獻標(biāo)識碼A

文章編號1003-3106(2016)01-0001-07

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.01.01