劉 適，李炯卉

（北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094）

引 言

自1994年起，美國先后通過“克萊門汀號”（Clementine）環(huán)月探測器、“月球勘探者號”（Lunar Prospector，LP）探測器、“月球勘測軌道器”（Lunar Reconnaissance Orbiter，LRO）、月球坑觀測和遙感衛(wèi)星（Lunar Crater Observation and Sensing Satellite，LCROSS）驗證了月球兩極存在水冰[1]。國內(nèi)外研究人員認識到了月球極區(qū)重要的科學研究價值和資源應(yīng)用價值[2]。

月球極區(qū)探測已成為當前國際深空探測的熱點之一，主要的航天大國、航天機構(gòu)紛紛啟動或開展了月球極區(qū)探測任務(wù)[3-5]。國外規(guī)劃中的各類極區(qū)任務(wù)已基本覆蓋各種類地外天體探測器，包括詳查探測器、著陸探測器、巡視探測器和機器人等。2019年，美國進一步確定了“阿爾忒彌斯1號”（Artemis 1）任務(wù)，預計在2024年進行載人登月。有別于“阿波羅”（Apollo）工程，“阿爾忒彌斯”任務(wù)的目標是人類在月球長期駐留。多器聯(lián)合探測是系統(tǒng)性、規(guī)?；虑驑O區(qū)探測、開發(fā)的必然趨勢，是人類月球長期駐留亟需突破的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

目前，國內(nèi)外尚無月球極區(qū)多器聯(lián)合探測任務(wù)的工程先例，其通信系統(tǒng)的設(shè)計沒有可直接借鑒的工程經(jīng)驗。相對于以往的月球探測任務(wù)而言，多器聯(lián)合月球極區(qū)探測任務(wù)通信系統(tǒng)更加復雜，難度也更高，具體表現(xiàn)為：首先，通信系統(tǒng)架構(gòu)更為復雜，多器聯(lián)合探測任務(wù)通信系統(tǒng)需要兼顧較高系統(tǒng)可靠性、較低系統(tǒng)開銷、較好系統(tǒng)擴展性；其次，信道環(huán)境更為惡劣，月球極區(qū)探測需要面臨低仰角通信，將導致較為嚴重的多徑效應(yīng)發(fā)生，同時，月球極區(qū)表面電特性參數(shù)的不確定性對通信系統(tǒng)的適應(yīng)性提出了更高要求；再次，信道容量的需求更高，為適應(yīng)月球極區(qū)多器聯(lián)合探測模式以及新型載荷高數(shù)據(jù)量需求，通信系統(tǒng)信道容量相對以往任務(wù)有量級的提升。

本文對月球極區(qū)探測任務(wù)通信系統(tǒng)的任務(wù)需求進行分析，針對需求和設(shè)計難點，提出相應(yīng)的技術(shù)解決途徑。

1 月球極區(qū)探測通信需求分析

1.1 通信系統(tǒng)架構(gòu)分析

從通信鏈路可靠性、傳輸延時等角度分析，直接對地鏈路可有效減少信息傳輸路徑中的節(jié)點，是首選方式。而在月球南緯82°以上的地區(qū)無法實現(xiàn)每日均有對可見，以月球南極極點附近為例，每個月中只有約半個月可以保證月面探測每日均對地可見弧段，且均有對地高度角不超過6.5°。加之月表地形起伏的不確定性，月球南極探測器對地可見性相對于理論分析結(jié)果會更加惡劣，無法保證任務(wù)在軌階段能獲得實時可用的直接對地鏈路。綜上所述，月球極區(qū)著陸器必須利用中繼衛(wèi)星，保證其對地通信。

針對月球極區(qū)多器聯(lián)合探測的工作場景，若中繼衛(wèi)星直接為每個月面目標提供中繼服務(wù)，對中繼衛(wèi)星和通信能力受限的月面通信終端而言，負擔都較大?？紤]到，在月面器間通信距離一般相對于中繼通信距離要短，在同等代價約束下，其碼速率相對于中繼通信鏈路高，有利于探測器輕小型化設(shè)計。在有限的發(fā)射重量約束下，有利于拓展探測規(guī)模，獲得更多的科研成果。

在較為理想的通信架構(gòu)中，可將月面通信終端劃分為主節(jié)點和次節(jié)點兩種。一般情況下，中繼星僅為主節(jié)點（如著陸探測器等大型探測器）提供中繼服務(wù)，主節(jié)點為周邊次節(jié)點（巡視探測器等小型探測器）提供月面器間通信服務(wù)，如圖1所示。這種模型與地面移動通信的蜂窩架構(gòu)較為相似，更容易實現(xiàn)系統(tǒng)資源的最優(yōu)配置。作為主節(jié)點的大型探測器中繼通信能力要優(yōu)于次節(jié)點，能夠支持較高的通信碼速率，且可保證其不會成為約束系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐率的瓶頸環(huán)節(jié)。同時，對于中繼衛(wèi)星而言，在其日常工作中，僅有一個或幾個主節(jié)點接入。相對于直接為所有節(jié)點提供中繼服務(wù)而言，其系統(tǒng)復雜度和資源開銷更低，系統(tǒng)擴容性更好，更容易實現(xiàn)中繼衛(wèi)星中繼載荷配置的優(yōu)化設(shè)計，也更利于提高次節(jié)點通信速率。

次節(jié)點與中繼衛(wèi)星間的中繼鏈路并非沒有工程價值。中繼鏈路可以覆蓋月面更大范圍內(nèi)的目標，受月面地形遮擋和多徑的影響相對月面器間通信鏈路小，鏈路可靠性更高。對于次節(jié)點而言，月面器間通信鏈路與中繼鏈路兩者各有優(yōu)勢。在重量、功耗以及包絡(luò)尺寸等工程實現(xiàn)約束允許的前提下，次節(jié)點可配置器間通信和中繼通信設(shè)備，兩者可互為補充，互為備份，提高整個通信系統(tǒng)的魯棒性。反之，可根據(jù)具體工作場景，擇優(yōu)配置通信設(shè)備。

圖1 月球極區(qū)探測通信系統(tǒng)架構(gòu)示意圖Fig.1 Communications system diagram for lunar pole exploration probes

1.2 信道環(huán)境條件分析

月球極區(qū)地形較為復雜，通信過程中可能存在多徑效應(yīng)，嚴重時可能導致通信中斷。對于低仰角對地通信鏈路，月面對無線電波的反射和散射等作用也將加劇鏈路中的多徑效應(yīng)。此外，在多器聯(lián)合探測任務(wù)中，在探測器較為集中的區(qū)域還可能因為存在多個可移動人造物體，導致信道環(huán)境更為復雜。

由于人類對月球南極區(qū)域未進行過近距離探測，國內(nèi)外月球探測任務(wù)所獲取的月球極區(qū)月表電特性數(shù)據(jù)十分有限。同時，月表遙感獲取的數(shù)據(jù)無法有效剝離其它因素的影響，不能直接獲得其電特性參數(shù)的準確數(shù)值。此外，由于月球極區(qū)可能存在固態(tài)水，導致已獲得的低緯度地區(qū)月表數(shù)據(jù)無法在極區(qū)探測任務(wù)中直接使用。無線電信號在真空與月表分界面上的邊界條件是月面通信鏈路建模分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，而邊界條件主要由月表的電特性參數(shù)決定。目前無線電波在月球極區(qū)表面?zhèn)鬏斕匦陨袩o法精確建模。

月面多器聯(lián)合探測鏈路較為復雜，存在多條中繼鏈路和月面通信鏈路同時工作的情況。此外，隨著探測器功能的日益復雜，其自身平臺與載荷設(shè)備工作也可能引入電磁干擾，在通信系統(tǒng)設(shè)計過程中要充分考慮復雜電磁環(huán)境的兼容性。

1.3 數(shù)據(jù)量需求分析

月球極區(qū)探測的詳查任務(wù)和中繼衛(wèi)星對地轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)對鏈路數(shù)據(jù)量的要求較以往月球探測任務(wù)要高。

1）月面詳查任務(wù)數(shù)據(jù)碼速率需求

以LRO為例，其窄視場相機日均產(chǎn)生數(shù)據(jù)量為515 Gbit，寬視場相機日均產(chǎn)生數(shù)據(jù)量為41 Gbit，微型雷達日均產(chǎn)生數(shù)據(jù)量為7.7 Gbit。在LRO任務(wù)中，除了S頻段低速上下行鏈路之外，還配置了Ka頻段的高速下行鏈路，其最大下行數(shù)傳碼速率達到100 Mbit/s，以滿足任務(wù)需求。類比LRO任務(wù)數(shù)據(jù)量需求，考慮到我國深空站已實現(xiàn)全球布站，詳查器每日最多有一半的弧段被月球遮擋，我國極區(qū)詳查數(shù)據(jù)對地傳輸碼速率要至少滿足10 Mbit/s量級，爭取實現(xiàn)100 Mbit/s量級下行數(shù)據(jù)傳輸。

2）中繼衛(wèi)星對地轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)數(shù)據(jù)碼速率需求

“嫦娥3號”著陸器與巡視器的下傳碼速率最高速率在1～2 Mbit/s之間。假設(shè)我國未來月球極區(qū)探測任務(wù)中最高有10個月面目標，則中繼衛(wèi)星對月面目標返向鏈路下傳速率應(yīng)至少滿足10 Mbit/s量級。此外，考慮到未來月面目標智能化操作對前向鏈路碼速率需求，中繼衛(wèi)星應(yīng)至少具備上行1 Mbit/s的接收能力。

2 月球極區(qū)探測通信系統(tǒng)鏈路架構(gòu)規(guī)劃

在包含了月球軌道中繼衛(wèi)星、月面詳查器、著陸器、巡視器和移動機器人、宇航員等目標的典型月球極區(qū)探測任務(wù)中，中繼衛(wèi)星主要承擔月面目標與地面之間的中繼轉(zhuǎn)發(fā)。詳查探測器負責月球極區(qū)，特別是候選著陸區(qū)域的詳查工作。著陸器負責攜帶巡視器、移動機器人與宇航員等目標軟著陸至月面，并開展月面原位探測任務(wù)。月球極區(qū)探測通信系統(tǒng)鏈路規(guī)劃示意圖如圖2所示。

圖2 月球極區(qū)探測通信系統(tǒng)鏈路規(guī)劃示意圖Fig.2 Communications system diagram for lunar exploration

月球極區(qū)探測期間，中繼衛(wèi)星可與月面目標之間建立中繼前向和返向鏈路，并通過中繼主干鏈路完成月面目標與地面之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)工作，上述鏈路組成月球中繼通信網(wǎng)絡(luò)；月面目標之間以著陸器為主節(jié)點，搭建月面器間通信鏈路，組成月面通信網(wǎng)絡(luò)。其中，中繼鏈路與月面器間通信鏈路之間組成異構(gòu)備份鏈路，提高系統(tǒng)可靠性。

地面站分別與著陸器、中繼衛(wèi)星和詳查器建立測控通信鏈路。其中，著陸探測器對地測控通信鏈路主要負責著陸月面前的測控與通信任務(wù)。中繼衛(wèi)星的對地測控通信鏈路與中繼主干鏈路可以進行合理復用，進而實現(xiàn)星載資源的優(yōu)化資源配置。詳查器對地測控通信鏈路主要負責完成自身測控和詳查數(shù)據(jù)等載荷數(shù)據(jù)的對地傳輸功能。

考慮到月球極區(qū)詳查器軌道一般選擇月球極軌以滿足任務(wù)需求，同時，執(zhí)行詳查任務(wù)期間軌道高度需要盡量低以獲得更好的詳查效果，所以，詳查器一般對于月面各目標而言過頂弧段較短，無法滿足長時間中繼轉(zhuǎn)發(fā)需求，不適宜承擔中繼通信任務(wù)。但不排除通過合理的軌道優(yōu)化設(shè)計或任務(wù)規(guī)劃設(shè)計，使詳查器可以滿足中繼通信任務(wù)需求，通過與月面目標之間建立中繼鏈路，與中繼衛(wèi)星構(gòu)成互為備份關(guān)系，提高中繼通信網(wǎng)絡(luò)可靠性。這也將造成詳查器任務(wù)設(shè)計和工程實現(xiàn)的復雜性增高。

3 月球極區(qū)探測通信系統(tǒng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)設(shè)計

多器聯(lián)合月球極區(qū)探測任務(wù)通信系統(tǒng)需要有針對性地開展多址接入設(shè)計、高適應(yīng)性鏈路設(shè)計、高效數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計，以滿足復雜通信系統(tǒng)架構(gòu)、惡劣信道環(huán)境和高信道容量等任務(wù)需求。

3.1 多址接入設(shè)計

本文提出的月球中繼通信網(wǎng)絡(luò)和月面器間通信系統(tǒng)均屬于多址接入網(wǎng)絡(luò)。所謂多址接入是指多目標用戶的網(wǎng)絡(luò)接入控制，包括信道劃分、分配和能量控制等功能，是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的重要組成部分。合理的接入?yún)f(xié)議設(shè)計可以保證較高的網(wǎng)絡(luò)利用率和較強的系統(tǒng)可擴展性。接入?yún)f(xié)議分為競爭、非競爭和混合接入3類。

競爭接入主要包括基于隨機訪問模式和預約/沖突處理機制等兩類。前者代表為Alhoa協(xié)議，采用“想發(fā)既發(fā)，碰撞后隨機退避重發(fā)”的工作模式，會導致較高的沖突率；后者的代表是載波監(jiān)聽多路訪問（Carrier Sense Multiple Access，CSMA），在IEEE 802.11等協(xié)議中應(yīng)用，其采用信道監(jiān)聽和預約的方式，來降低沖突率。其在國際空間站任務(wù)中得到應(yīng)用，通過在國際空間站內(nèi)布設(shè)無線接入點，實現(xiàn)有線網(wǎng)絡(luò)和無線設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信[6]。競爭接入?yún)f(xié)議接入控制方式靈活，同步要求低，可有效降低月面探測器對地面控制手段的依賴。但隨機訪問模式在接入用戶數(shù)量增加到一定程度后將導致較高的沖突率，在月面通信這類相對較低碼速率傳輸場景中會明顯影響到帶寬利用率，不宜采用。反之，預約/沖突處理機制相對而言更適于月球極區(qū)探測任務(wù)，但也僅限于對傳輸實時性要求不高的任務(wù)階段。

非競爭接入主要包括頻分多址（Frequency Division Multiple Access，F(xiàn)DMA ）、碼分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）和時分多址（Time Division Multiple Access，TDMA ）等。通過通信節(jié)點之間的資源分配機制來避免競爭。這類協(xié)議往往需要某種形式的集中協(xié)調(diào)機制。由于其在集中式單跳網(wǎng)絡(luò)中較容易實現(xiàn)，在航天通信領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在美國的“阿波羅號”載人登月任務(wù)中，采用FDMA方式完成登月艙與指令服務(wù)艙之間的中繼通信，以及登月艙（月球車）和出艙航天員之間的月面通信[7-8]；國際空間站的空?空通信系統(tǒng)是超高頻（Ultra-High Freqency，UHF）頻段TDMA系統(tǒng)，用于空間站、航天飛機和艙外機動單元之間近距離話音、指令、遙測等數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)[9]；美國跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的S頻段多址鏈路（S-band Multiple Access，SMA）采用CDMA方式為用戶航天器提供服務(wù)，用于支持數(shù)據(jù)通信，以及用戶航天器的測距和測速等功能[10]。非競爭接入模式工程實現(xiàn)較為簡單，鏈路穩(wěn)定性較高，但其所采用的固定方式靈活性和擴展性較差。所以，其更適合在對鏈路實時性、穩(wěn)定性要求更高的探測任務(wù)關(guān)鍵環(huán)節(jié)（如多器分離、探測器起飛或著陸等）中使用。

混合接入方式是將多種接入?yún)f(xié)議結(jié)合，以彌補單一方式下的缺點，實現(xiàn)靈活接入和最大化資源利用率。在月球極區(qū)探測任務(wù)中，宜采用混合接入方式，在實時性要求不高的日常工作階段可采用競爭接入方式，由通信系統(tǒng)內(nèi)部自發(fā)調(diào)度信道資源。而在對鏈路實時性和穩(wěn)定性要求更高的關(guān)鍵階段，應(yīng)采用非競爭接入方式，確保任務(wù)順利開展，具體操作流程如圖3所示。

圖3 多址接入流程示意圖Fig.3 Diagram of multiple access process

此外，多址接入?yún)f(xié)議可有效支持多探測器聯(lián)合探測任務(wù)的開展，增強通信信道控制、調(diào)度的靈活性、實時性和可靠性，降低對地面控制的依賴。對于器地時延較大的行星探測也有較強的工程價值。

3.2 高適應(yīng)性設(shè)計

針對月球極區(qū)低仰角通信信道的不確定性和多器聯(lián)合探測對可擴展性的需求，通信系統(tǒng)需要具備更高的任務(wù)適應(yīng)性與靈活性。

在月面探測器間進行無線通信過程中，傳輸信道中包含真空和月表兩種媒質(zhì)，導致其傳輸特性較其在自由空間中的傳輸復雜。低仰角通信鏈路的多徑效應(yīng)相對于自由空間通信鏈路明顯。月面存在巖石、撞擊坑、人造探測器等障礙物都將成為復雜多徑環(huán)境的誘因。此外，月球表面存在的不規(guī)則起伏，月表電特性參數(shù)的不確定，以及月面探測器的移動特性等因素都將增大多徑效應(yīng)產(chǎn)生的隨機性。所以，月面通信系統(tǒng)應(yīng)具備抗多徑能力。而擴頻通信、正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）、分集技術(shù)等多種技術(shù)均可有效抑制多徑效應(yīng)對通信系統(tǒng)的影響。

是器樂教學的基本方法，由老師進行身傳言教，老師主要講解樂器的特點，演奏的要領(lǐng)和注意事項，同時要對演奏中的姿勢、指法、呼吸等作示范表演，讓學生直觀地聽、直觀地看，對照自己糾正錯誤的地方，獲得立竿見影的教學實效。以巴烏吹奏時的指法教學為例，在教學過程中要遵循由淺入深的教學原則，先讓學生跟著自己模仿低音so、la、si的指法與吹奏，然后讓他們參照巴烏常用指法表對do、re、mi三個音進行自主摸索著學習，并引導學生總結(jié)低音區(qū)與中音區(qū)吹奏時氣息上有何區(qū)別，循序漸進地培養(yǎng)他們的觀察能力和學習主動性。

考慮到直至月球極區(qū)任務(wù)實施前，通信信道的不確定性仍可能無法完全規(guī)避，通信設(shè)備還應(yīng)采用軟件無線電設(shè)計，在不變更其硬件的情況下，通過軟件加載來適應(yīng)實際信道情況，通信設(shè)備框架如圖4所示。通信設(shè)備由射頻模塊和基帶模塊組成，射頻模塊負責提供射頻通道，完成上下變頻、濾波等功能；基帶模塊負責基帶信號處理、調(diào)制與模?數(shù)/數(shù)?模轉(zhuǎn)換等功能。單機設(shè)備采用模塊化設(shè)計思路，例如射頻模塊可以根據(jù)單機設(shè)備使用需求，采用不同頻段通道模塊，并通過軟件無線電實現(xiàn)具體頻率設(shè)置；基帶模塊根據(jù)實際需求，來配置對地通信基帶和（或）中繼/器間通信基帶模塊，并具備在軌軟件更新、升級能力。

圖4 通信設(shè)備框架Fig.4 Communication equipment frame

軟件無線電技術(shù)具備以下任務(wù)層面的優(yōu)勢：

1）有利于增強無線電設(shè)備對復雜任務(wù)需求的適應(yīng)性，月球極區(qū)探測任務(wù)將為未來長期無人、有人月球探測提供先期驗證或直接作為其中一部分，發(fā)揮重要作用，采用軟件無線電技術(shù)的設(shè)備對于通信系統(tǒng)規(guī)模的可擴展性、新增性能需求和無線信道不確定性等方面具有較強的適應(yīng)能力，可充分發(fā)掘無線電設(shè)備潛力；

2）有利于實現(xiàn)無線電設(shè)備硬件平臺的統(tǒng)一化，月球極區(qū)探測采用多器聯(lián)合探測的模式，探測器需要搭載對地測控通信、中繼通信、月面器間通信中的一種或多種無線電設(shè)備，將同類的無線電設(shè)備的硬件平臺進行統(tǒng)一，可以有效縮短單機設(shè)備研制周期，降低調(diào)試復雜性，提高設(shè)備可靠性，有效節(jié)約研制成本；

3）有利于不同月球探測任務(wù)間合作的開展，不同探測任務(wù)之間往往采用不同的無線通信手段，包括不同的數(shù)據(jù)速率、糾錯編碼方式以及調(diào)制類型等，在這種情況下，軟件無線電設(shè)備可通過對其重新配置以適應(yīng)不同的信號特征，實現(xiàn)不同探測任務(wù)之間的信息互通，獲取更多的任務(wù)成果，同時，也可以為未來潛在的國際合作提供支持，共同開發(fā)月球資源。

此外，為應(yīng)對未來更為復雜、龐大系統(tǒng)的互聯(lián)互通需求，應(yīng)高度重視提高通信系統(tǒng)智能化程度，降低地面飛行控制人員的學習成本和操作復雜程度，也可為未來復雜深空探測任務(wù)進行技術(shù)積累。通信系統(tǒng)智能化可以包括以下幾個方面：① 具備多探測器通信設(shè)備自組網(wǎng)能力，可自主建立可靠、高效的中繼與器間通信鏈路，建立合理的入網(wǎng)與退出機制，實現(xiàn)信道資源按需分配、動態(tài)調(diào)整、充分利用，并具備延遲、中斷容忍能力；② 對信道質(zhì)量進行動態(tài)評估，對于突發(fā)鏈路質(zhì)量惡化，能夠進行實時判斷，組織鏈路重新建立和重傳，避免全程依賴地面判斷所引入的天地大回路時延，在提高通信系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時，也有利于月球及更遠深空探測任務(wù)中復雜、密集動作的高效執(zhí)行；③ 根據(jù)任務(wù)需求動態(tài)調(diào)整通信系統(tǒng)參數(shù)，如碼速率、調(diào)制方式、發(fā)射功率、天線波束等，充分利用信道容量。

3.3 高信道容量設(shè)計

隨著任務(wù)復雜性的不斷提高，對數(shù)據(jù)傳輸速率的需求也不斷提高。以月球極區(qū)探測任務(wù)為例，月面詳查、中繼通信以及工程、科學載荷等多樣的探測任務(wù)對數(shù)據(jù)傳輸速率的需求，相對于我國以往月球探測任務(wù)更高。我國月球極區(qū)探測任務(wù)可采用激光通信和Ka頻段無線通信手段提高數(shù)據(jù)傳輸速率。

激光通信波束發(fā)散角小、指向性好、功率密度大，具備信道帶寬大、碼速率高等優(yōu)勢。近年來，激光通信作為航天任務(wù)的重要信息傳輸手段得到了大力發(fā)展，成為提高深空通信鏈路性能的熱點技術(shù)之一。美國、歐洲、日本等不僅廣泛開展了空間激光通信鏈路理論研究、關(guān)鍵技術(shù)研究、原理樣機研制、地面和在軌演示驗證等工作，而且還建立了比較健全的檢測與評估系統(tǒng)和配套地面激光通信站。在2013年9月發(fā)射的LADEE（ Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer）探測任務(wù)中，進行了月球激光通信演示試驗（Lunar Laser Communications Demonstration，LLCD），對地通信速率達到了上行20 Mbit/s，下行622 Mbit/s[11]，展示了激光通信在月球探測器對地通信任務(wù)中的巨大潛力。但激光通信也有不足，譬如其在傳輸過程中受大氣和氣候影響較為嚴重。同時，激光通信在我國深空探測領(lǐng)域尚無工程應(yīng)用經(jīng)驗，其編碼與調(diào)制等可以基于無線電通信的成熟工程基礎(chǔ)，但仍有部分核心技術(shù)需要攻克，如高效、低抖動的探測器，高轉(zhuǎn)換效率的激光器，穩(wěn)定、精準的捕獲跟蹤瞄準，以及大氣補償?shù)燃夹g(shù)。由于較高精度的指向性需求，對于航天任務(wù)測控通信使用場景，激光是無法全面替代無線電射頻通信的。我國深空探測領(lǐng)域目前使用的S頻段和X頻段作為測控通信頻段，以X頻段通信為例，根據(jù)國際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會（Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS）標準建議[12]，單一任務(wù)占用帶寬最高僅為10 MHz，無法滿足高速數(shù)據(jù)傳輸需求?？紤]到Ka頻段具有更大的信道帶寬（見表1），在我國月球極區(qū)探測任務(wù)中宜采用Ka頻段作為高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線通信頻段使用，與激光通信鏈路形成異構(gòu)備份。

表1 CCSDS建議對地下行鏈路通信頻率Table 1 CCSDS frequency allocation for space-earth transmission link GHz

目前，我國月球探測任務(wù)主要使用二進制相移鍵控 （Binary Phase Shift Keying，BPSK）調(diào)制方式，頻帶利用效率較低。正交相移鍵控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）、高階調(diào)制（如8PSK和16QAM等）以及脈沖成型（如高斯最小頻移鍵控（Gaussian Filtered Minimum Shift Keying，GFMSK）等）是該領(lǐng)域目前技術(shù)發(fā)展的具體實例。其中，BPSK的理論帶寬利用率為1 bps/Hz，QPSK為2 bps/Hz，8PSK為3 bps/Hz，GMSK效率介于BPSK與QPSK之間。但還沒有一種技術(shù)可以解決指定應(yīng)用環(huán)境中的所有問題，例如高階調(diào)制頻帶利用率最高，但導致接收端解調(diào)門限增加，同時造成器載功率放大設(shè)備一定的功率浪費。在選擇具體的調(diào)制方法時，必須權(quán)衡多方面的因素，包括通信環(huán)境、碼速率、設(shè)備復雜度、發(fā)射功率、技術(shù)成熟度和其它約束條件。此外，我國的月球極區(qū)探測活動通信系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)遵循國際標準，并提前、積極開展國際航天機構(gòu)間溝通與協(xié)調(diào)。在確保系統(tǒng)間兼容工作的同時，為國際任務(wù)間交互支持提供可能；針對現(xiàn)行通信標準中月球探測方面的尚未明確之處，應(yīng)積極參與國際協(xié)調(diào)，提升話語權(quán)。

4 結(jié) 論

本文提出了一種多器聯(lián)合月球極區(qū)探測任務(wù)通信系統(tǒng)方案。該方案基于一套由月球中繼通信網(wǎng)絡(luò)和月面通信網(wǎng)絡(luò)組成的鏈路構(gòu)架，通過異構(gòu)鏈路互為備份、多中心節(jié)點等方式實現(xiàn)了系統(tǒng)的可靠性與可擴展，兼顧了系統(tǒng)內(nèi)的資源優(yōu)化配置。基于多器聯(lián)合月球極區(qū)探測任務(wù)需求分析，針對通信系統(tǒng)多址接入方式等關(guān)鍵環(huán)節(jié)開展設(shè)計工作，并給出工程實施建議，相關(guān)成果可為我國未來月球極區(qū)探測，乃至月面科研站等大規(guī)模長期駐留任務(wù)通信系統(tǒng)設(shè)計提供參考，具有良好的工程應(yīng)用前景。