孫澤洲，強(qiáng)暉萍，韓 宇，白 帆，張 婷，雪 霽

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

火星是人類深空探測(cè)的重要目標(biāo)之一，地火之間建立高效、穩(wěn)定的通信鏈路是火星探測(cè)任務(wù)順利完成的重要前提和基本保障。采用高通信能力、低通信成本的中繼通信技術(shù)向著陸器提供火星進(jìn)入、下降和著陸（Entry，descent and landing，EDL）以及火星表面中繼通信服務(wù)被視為地火通信傳輸?shù)膬?yōu)選方案［1］?！疤靻栆惶?hào)”火星探測(cè)器作為中國首次火星探測(cè)的航天器，通過一次發(fā)射完成火星“繞、著、巡”探測(cè)任務(wù)。探測(cè)器由環(huán)繞器和著陸巡視器（含進(jìn)入艙與火星車）組成，發(fā)射后歷經(jīng)地火軌道轉(zhuǎn)移、火星制動(dòng)與捕獲、環(huán)繞火星飛行、著陸巡視器進(jìn)入/下降以及火面工作等階段［2］。在著陸巡視器進(jìn)入/下降以及火面工作階段的通信任務(wù)中，中繼通信比常規(guī)的直接對(duì)地通信鏈路有明顯優(yōu)勢(shì)。直接對(duì)地鏈路需要經(jīng)過非常遙遠(yuǎn)的地球-火星距離（高達(dá)4 億千米），而借助火星環(huán)繞器進(jìn)行中繼的較短距離通信業(yè)務(wù)能使著陸巡視器返回更多的數(shù)據(jù)，提高功率利用率，同時(shí)又能減少其通信系統(tǒng)各部件的質(zhì)量、體積和操作復(fù)雜性。當(dāng)?shù)厍虿豢梢姇r(shí)，火星中繼鏈路仍可提供通信服務(wù)。本文針對(duì)“天問一號(hào)”火星探測(cè)器的任務(wù)特點(diǎn)，重點(diǎn)對(duì)UHF 頻段中繼通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹，給出主要指標(biāo)設(shè)計(jì)、中繼通信協(xié)議設(shè)計(jì)和中繼通信鏈路設(shè)計(jì)，最后對(duì)在軌飛行試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。

1 中繼通信任務(wù)需求

在發(fā)射段、地火轉(zhuǎn)移段和火星捕獲段，“天問一號(hào)”火星探測(cè)器的環(huán)繞器和著陸巡視器為探測(cè)器組合體狀態(tài)，地面測(cè)控系統(tǒng)經(jīng)環(huán)繞器X 頻段直接對(duì)地鏈路實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)繞器及著陸巡視器的控制和狀態(tài)監(jiān)視，著陸巡視器無射頻測(cè)控?cái)?shù)傳鏈路需求。

在火星停泊段，著陸巡視器超高頻（Ultra high frequency，UHF）頻段中繼通信設(shè)備需開機(jī)，與環(huán)繞器配合，完成UHF 頻段中繼通信自檢，并開始提供UHF 頻段中繼通信鏈路。

在離軌著陸段，火星EDL 前，環(huán)繞器和著陸巡視器分離，此過程中需要保持UHF 頻段中繼通信鏈路，地面測(cè)控系統(tǒng)經(jīng)環(huán)繞器通過UHF 頻段中繼通信鏈路對(duì)著陸巡視器進(jìn)行控制和狀態(tài)監(jiān)視。在EDL 開始后，著陸巡視器無前向鏈路控制要求，此時(shí)僅需保持UHF 頻段中繼返向通信鏈路，地面測(cè)控系統(tǒng)經(jīng)環(huán)繞器通過UHF 頻段中繼返向鏈路對(duì)著陸巡視器進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視。

在著陸巡視器著陸火星表面后，地面測(cè)控系統(tǒng)通過環(huán)繞器UHF 頻段中繼鏈路對(duì)著陸巡視器進(jìn)行控制、狀態(tài)監(jiān)視并傳輸業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，或者通過X 頻段對(duì)地鏈路對(duì)著陸巡視器進(jìn)行控制和狀態(tài)監(jiān)視。其中探測(cè)器UHF 頻段中繼通信鏈路見圖1。具體包括：環(huán)繞器與進(jìn)入艙的UHF 頻段中繼通信鏈路以及環(huán)繞器與火星車的UHF 頻段中繼通信鏈路。圖1 中的X 頻段鏈路為環(huán)繞器或火星車的直接對(duì)地通信鏈路。

圖1 “天問一號(hào)”探測(cè)器UHF 頻段中繼通信鏈路Fig.1 Relay communication link of UHF frequency band of Tianwen-1 probe

2 國際火星探測(cè)中繼通信系統(tǒng)

目前，國際火星中繼網(wǎng)絡(luò)中的軌道器，除了中國的“天問一號(hào)”環(huán)繞器外，僅NASA 的火星奧德賽、火星勘察軌道器（Mars reconnaissance orbiter，MRO）以及ESA（European space agency）的火星快車仍在軌運(yùn)行，支持著火星探測(cè)中通信和導(dǎo)航的需要。而在火星表面工作的探測(cè)器，除了中國的“祝融號(hào)”火星車外，僅有NASA 的“好奇號(hào)”“毅力號(hào)”等處于工作狀態(tài)［3-11］。

NASA 的火星探測(cè)器中繼通信系統(tǒng)均采用UHF 頻段，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上基本相同。以“好奇號(hào)”的UHF 頻段通信子系統(tǒng)為例，其UHF 頻段通信子系統(tǒng)包括2 臺(tái)UHF 應(yīng)答機(jī)、2 臺(tái)多工器、2 個(gè)同軸開關(guān)以及3 個(gè)UHF 天線，見圖2。UHF 天線包括安裝在降落傘上的UHF 天線（Parachute UHF antenna，PUHF）、下降級(jí)上的UHF 天線（Descent UHF antenna，DUHF）以及在巡視器上的UHF 天線（Rover UHF antenna，RUHF）。好奇號(hào)的UHF 通信子系統(tǒng)僅在EDL 段和表面巡視段工作［6］。

圖2 NASA“好奇號(hào)”UHF 頻段通信子系統(tǒng)[6]Fig.2 Communication subsystem of UHF band of NASA Curiosity

在EDL 段，除了X 頻段鏈路外，“好奇號(hào)”的3 個(gè)UHF 天線分時(shí)工作：PUHF 天線從巡航級(jí)分離開始工作，直至背罩分離前；DUHF 天線在動(dòng)力下降段工作；RUHF 天線從巡視器分離后開始工作，而整個(gè)表面巡視任務(wù)的UHF 頻段中繼通信都由RUHF 天線完成。

3 UHF 頻段中繼通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)組成

“天問一號(hào)”探測(cè)器UHF 頻段中繼通信系統(tǒng)組成見圖3。包括環(huán)繞器UHF 頻段收發(fā)信機(jī)、環(huán)繞器UHF 網(wǎng)絡(luò)、環(huán)繞器UHF 頻段接收/發(fā)射天線，進(jìn)入艙UHF 頻段收發(fā)信機(jī)、進(jìn)入艙背罩天線，火星車UHF 頻段收發(fā)信機(jī)、火星車UHF 頻段中繼天線。其中，UHF 頻段收發(fā)信機(jī)是中繼通信系統(tǒng)的核心設(shè)備，完成中繼通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)、編譯碼、調(diào)制解調(diào)以及變頻放大等功能。

圖3 “天問一號(hào)”探測(cè)器UHF 頻段中繼通信系統(tǒng)Fig.3 Relay communication system of UHF band of Tianwen-1 probe

3.2 工作模式

在兩器分離及EDL 階段，由進(jìn)入艙通過UHF頻段收發(fā)信機(jī)和UHF 頻段中繼天線與環(huán)繞器建立雙向中繼通信鏈路。

火面巡視探測(cè)階段，由火星車通過UHF 頻段收發(fā)信機(jī)和UHF 頻段中繼天線與環(huán)繞器建立雙向中繼通信鏈路。 具體工作模式詳見表1。

表1 探測(cè)器UHF 頻段中繼通信系統(tǒng)工作模式Table 1 Operating mode of UHF band relay communication system

3.3 主要技術(shù)指標(biāo)

3.3.1 通信體制

UHF 頻段中繼系統(tǒng)采用曼徹斯特編碼輔助殘留載波BPSK 調(diào)制的方式實(shí)現(xiàn)。通過采用小于π/2（弧度）的調(diào)制指數(shù)，使得信號(hào)頻譜中出現(xiàn)離散（殘留）的載波分量。同時(shí)，曼徹斯特編碼功率譜密度在零頻率處為零，調(diào)制信號(hào)與殘留載波分量可以有效分離，通過精細(xì)濾波和窄帶寬環(huán)路跟蹤，實(shí)現(xiàn)對(duì)載波的提取跟蹤。

針對(duì)殘留載波調(diào)制的特點(diǎn)，利用科斯塔斯鑒相跟蹤方式，將載波鎖定在I 支路，信息鎖定在Q 支路，避免解I、Q 相位翻轉(zhuǎn)的問題，減小了處理復(fù)雜度；通過多級(jí)濾波抽取模塊，提取出各速率檔抽頭，將除載波以外的其他信息全部濾除，實(shí)現(xiàn)極低信噪比的跟蹤；利用曼徹斯特編碼的特點(diǎn)，將各速率抽頭上的Q 支路信號(hào)進(jìn)行匹配相關(guān)和能量積分，通過正負(fù)能量累加判決，可在沒有先驗(yàn)信息的情況下判斷出當(dāng)前傳輸數(shù)據(jù)的速率，實(shí)現(xiàn)通信碼速率的自適應(yīng)估計(jì)與解調(diào)［12］。

3.3.2 信道編碼

UHF 頻段中繼通信系統(tǒng)采用卷積碼作為信道編碼方式。卷積碼采用CCSDS 推薦的（7，1/2）卷積碼，在1×10-6的誤碼率情況下可取得約4.5 dB的信道編碼增益。

3.3.3 中繼通信協(xié)議

UHF 頻段中繼通信系統(tǒng)雙向通信采用CCSDS 鄰近空間鏈路協(xié)議（Proximity-1）?；鹦翘綔y(cè)任務(wù)的通信距離遠(yuǎn)，地面遙控指令時(shí)延大且弧段時(shí)間有限，無法實(shí)時(shí)控制，UHF 頻段中繼通信的智能化和可靠性需求迫切，具體包括：需具備自主建立通信及結(jié)束通信的能力，從而擺脫對(duì)地面精確控制的依賴；需具備智能變更通信參數(shù)的能力，從而以緊貼信道的香農(nóng)限進(jìn)行通信，使通信弧段內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量最大；需具備自主錯(cuò)誤重傳的能力，確保前向指令和返向科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)的正確性；具備重傳跳出的能力，確保中繼通信不中斷。

（1）通信自主建立及自主結(jié)束設(shè)計(jì)

通信自主建立通過握手反饋確認(rèn)的方式進(jìn)行，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖4 所示。當(dāng)發(fā)起呼叫時(shí)，發(fā)起方和響應(yīng)方的接收機(jī)均設(shè)置為握手信道，響應(yīng)方的發(fā)射機(jī)處于關(guān)機(jī)狀態(tài)。發(fā)起方首先以1 kb/s 的碼速率在握手信道上發(fā)送包含響應(yīng)方發(fā)射機(jī)參數(shù)和接收機(jī)參數(shù)設(shè)置指令的握手信號(hào)；響應(yīng)方在握手信道上接收到握手信號(hào)后，解調(diào)出設(shè)置發(fā)射機(jī)和接收機(jī)參數(shù)的指令，接收機(jī)立即切換為工作信道并打開發(fā)射機(jī)，在握手信道上以1 kb/s 碼速率回復(fù)握手反饋信號(hào)；發(fā)起方接收機(jī)在握手信道上接收并解調(diào)出握手反饋信號(hào)后，握手過程結(jié)束，轉(zhuǎn)入業(yè)務(wù)通信狀態(tài)。

圖4 通信建立狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖Fig.4 State transition diagram for communication establishment

通信自主結(jié)束通過感知信號(hào)強(qiáng)度的方式進(jìn)行，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖5 所示。當(dāng)中繼可見通信弧段結(jié)束后，通信的信號(hào)強(qiáng)度會(huì)劇烈下降從而導(dǎo)致環(huán)繞器和著陸巡視器載波失鎖。接收機(jī)判斷長時(shí)間失鎖后，通信的雙方會(huì)自動(dòng)回到握手初始狀態(tài)，等待下一次握手通信的開始。

圖5 通信結(jié)束狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖Fig.5 State transition diagram for communication ending

（2）通信速率自適應(yīng)切換設(shè)計(jì)

通信速率自適應(yīng)切換通過接收端自主感知信道的信噪比、同各速率檔要求的通信門限進(jìn)行比較、自主發(fā)起參數(shù)變更的方式實(shí)現(xiàn)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖6 所示。

圖6 通信速率切換狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖Fig.6 State transition diagram for communication rate switching

信噪比估計(jì)是通信速率自適應(yīng)切換的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)信噪比估計(jì)方法包括數(shù)據(jù)擬合法、信號(hào)方差比估計(jì)法、平方信噪方差比估計(jì)法以及二階四階矩陣法，用這些信噪比估計(jì)算法進(jìn)行估計(jì)時(shí)需要矩陣分解，復(fù)雜度較高。UHF 頻段中繼通信系統(tǒng)采用基于子空間跟蹤的盲信噪比估計(jì)算法和基于最大似然方法的盲信噪比估計(jì)算法，在較低空間復(fù)雜度下可以實(shí)現(xiàn)更好的信噪比估計(jì)性能。

（3）前返向高可靠通信設(shè)計(jì)

UHF 頻段中繼的前返向高可靠通信通過回退N 幀 自 動(dòng) 重 傳 請(qǐng) 求（Automatic repeat request，ARQ）實(shí)現(xiàn)，并且采取基于丟幀點(diǎn)播的方法，自適應(yīng)切換當(dāng)前ARQ 發(fā)送序列，可以實(shí)現(xiàn)高效重傳，并保證通信的可靠性，其設(shè)計(jì)方案如圖7 所示。

圖7 ARQ 設(shè)計(jì)方案Fig.7 ARQ design scheme

UHF 頻段中繼通信采用CCSDS Proximity-1全雙工協(xié)議，因此前返向鏈路的吞吐量存在相互制約［13-14］，即返向有效傳輸速率受制于前向接收鄰近鏈路協(xié)議控制字（Proximity link control word，PLCW）的時(shí)間和返向滑動(dòng)窗口長度，前向有效傳輸速率同樣受制于返向接收PLCW 的時(shí)間和前向滑動(dòng)窗口長度。前向鏈路主要傳輸遙控指令，數(shù)據(jù)量需求小，對(duì)數(shù)據(jù)吞吐量要求不高；而返向鏈路傳輸數(shù)據(jù)包括大量相機(jī)拍攝圖像、科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)和各分系統(tǒng)遙測(cè)數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)量大。因此需要合理設(shè)置前返向碼速率的匹配關(guān)系以及滑動(dòng)窗口長度，確保在全雙工狀態(tài)下返向數(shù)據(jù)吞吐量最優(yōu)，在有限的通信弧段內(nèi)最大限度地傳輸數(shù)據(jù)。綜合考慮中繼通信設(shè)備的存儲(chǔ)能力、中繼信道能力以及鏈路時(shí)延，滑動(dòng)窗口長度選擇10，前向碼速率選擇32 kb/s，可以使返向數(shù)據(jù)吞吐量最大。

（4）重傳跳出設(shè)計(jì)

如果接收端無法正確反饋PLCW，或者發(fā)送端不能正確地接收PLCW，整個(gè)中繼通信過程會(huì)因此中斷，導(dǎo)致信道堵塞。所以，UHF 頻段中繼通信系統(tǒng)引入了跳出機(jī)制，即接收方實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其發(fā)送的PLCW 幀號(hào)，在幀號(hào)發(fā)生變化時(shí)計(jì)時(shí)器清零并計(jì)時(shí)，進(jìn)行一定時(shí)間的監(jiān)測(cè)和狀態(tài)判讀，如判斷出進(jìn)入異常ARQ 狀態(tài)，則觸發(fā)ARQ 跳出機(jī)制。

3.3.4 碼速率

針對(duì)EDL 過程及環(huán)火中繼軌道動(dòng)態(tài)特性，探測(cè)器UHF 頻段中繼通信系統(tǒng)前向支持7 擋碼速率，為1～64 kb/s（2N，N=0～6），返向支持12 擋碼速率，為1～2 048 kb/s（2N，N=0～11）。

在兩器分離至EDL 過程中，通信碼速率保持固定不變，前返向均為2 kb/s；在火星表面工作的近火段，環(huán)繞器通過UHF 窄波束（±30°）實(shí)現(xiàn)對(duì)著陸巡視器的雙向通信，并根據(jù)中繼軌道變化返向碼速率從1～2 048 kb/s 自適應(yīng)切換；在火星表面工作的遠(yuǎn)火段，通信碼速率保持固定不變，前返向均為1 kb/s。

4 通信鏈路設(shè)計(jì)與分析

4.1 UHF 頻段中繼通信工作過程

UHF 頻段中繼通信系統(tǒng)在兩器分離、EDL、著陸巡視器著陸至壽命結(jié)束工作。其中，在兩器分離至著陸巡視器著陸前作為地面控制、監(jiān)視著陸巡視器狀態(tài)的唯一手段；在著陸后作為地面控制著陸巡視器及著陸巡視器下傳業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的主用手段。

（1）兩器分離至環(huán)繞器抬軌

兩器分離按照約0.5 m/s 分離速度進(jìn)行分離，當(dāng)兩器相距距離大于30 m 時(shí)（約1 min），通過延時(shí)指令開啟著陸巡視器UHF 頻段收發(fā)信機(jī)發(fā)射機(jī)，中繼通信處于單工狀態(tài)。在此過程中環(huán)繞器UHF中繼通信設(shè)備的接收、發(fā)射部分引入50 dB 衰減，防止近距離下接收功率過大，造成接收機(jī)損壞。約1 h 后，環(huán)繞器升軌。

（2）環(huán)繞器抬軌完成至著陸巡視器火星大氣進(jìn)入

環(huán)繞器升軌完成后，兩器距離約為1.5 km。在升軌過程中通過開關(guān)切換，取消環(huán)繞器UHF 通道中的衰減。進(jìn)入艙UHF 頻段收發(fā)信機(jī)工作在單工狀態(tài)，通過UHF 頻段前向鏈路傳輸著陸巡視器遙控以及注入數(shù)據(jù)，通過返向鏈路下傳著陸巡視器器務(wù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。（3）EDL 階段（背罩分離前）

著陸巡視器EDL 過程中，中繼通信保持前、返向鏈路。此過程，著陸巡視器進(jìn)行氣動(dòng)減速，可能會(huì)有一段時(shí)間黑障，期間無法進(jìn)行中繼通信。打開降落傘后，姿態(tài)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。著陸巡視器在EDL 過程中拋除降落傘和背罩，此時(shí)背罩天線與收發(fā)信機(jī)脫離。著陸巡視器通過分離信號(hào)觸發(fā)和提前注入延時(shí)指令兩種手段關(guān)閉進(jìn)入艙UHF 頻段收發(fā)信機(jī)，打開火星車UHF 頻段收發(fā)信機(jī)。

（4）EDL 階段（背罩分離后）

背罩分離后直至當(dāng)圈中繼通信弧段結(jié)束，中繼通信保持前、返向鏈路。背罩分離后通過分離信號(hào)觸發(fā)和提前注入延時(shí)指令兩種手段開啟UHF 頻段收發(fā)信機(jī)，處于單工狀態(tài)，直至著陸后10 min 左右，UHF 頻段收發(fā)信機(jī)通過程控指令控制關(guān)閉發(fā)射機(jī)，進(jìn)入全雙工狀態(tài)，并作為響應(yīng)方等待環(huán)繞器發(fā)起中繼通信。落火后，著陸巡視器UHF 頻段中繼天線對(duì)環(huán)繞器覆蓋弧段與EDL 過程持續(xù)時(shí)間有關(guān)，EDL 過程越長落火后天線覆蓋弧段越短，在考慮著陸姿態(tài)偏差的情況下，無法保證落火后一定有UHF 頻段中繼天線對(duì)環(huán)繞器覆蓋的弧段。

（5）火星表面工作階段（環(huán)繞器中繼軌道運(yùn)行）

環(huán)繞器在與著陸巡視器分離后，需調(diào)整進(jìn)入中繼通信軌道，實(shí)施為期約3 個(gè)月的中繼通信任務(wù)，并兼顧科學(xué)探測(cè)。為保證穩(wěn)定的中繼通信弧段，中繼軌道設(shè)計(jì)成天回歸軌道，考慮到停泊軌道和遙感軌道的銜接，探測(cè)器標(biāo)稱中繼軌道選擇1 天運(yùn)行3圈的回歸軌道，軌道周期約8.2 h。UHF 頻段中繼通信鏈路的前向碼速率為32 kb/s（編碼后），返向碼速率根據(jù)兩器距離可在1～2 048 kb/s（編碼后）間切換。近火通信弧段時(shí)長約10 min，由于兩器距離較近，返向碼速率峰值可達(dá)到2 048 kb/s（編碼后），可用于下傳工程遙測(cè)和大數(shù)據(jù)量載荷數(shù)據(jù)等。遠(yuǎn)火通信弧段通信時(shí)長較長，可達(dá)數(shù)個(gè)小時(shí)，但通信距離較遠(yuǎn)，導(dǎo)致期間UHF 頻段中繼通信返向碼速率降至系統(tǒng)最低值1 kb/s（編碼后）。

4.2 天線覆蓋范圍分析

4.2.1 背罩天線覆蓋范圍分析

環(huán)繞器UHF 頻段中繼天線，垂直安裝在環(huán)繞器對(duì)火面上，電軸與環(huán)繞器對(duì)火面垂直；著陸巡視器背罩天線安裝于著陸巡視器背罩上，其電軸與著陸巡視器+X軸重合。定義兩器幾何中心連線與環(huán)繞器+Z軸夾角為α，兩器連線與著陸巡視器+X軸夾角為γ，定義角度示意圖如圖8 所示，通過分析α和γ兩個(gè)角度的變化范圍，確定背罩天線在此階段進(jìn)行中繼傳輸，波束需覆蓋的范圍。

圖8 兩器分離后至EDL 階段天線覆蓋角度分析示意圖Fig.8 Schematic diagram of antenna coverage analysis from separation to EDL stage

（1）兩器分離至著陸巡視器進(jìn)入點(diǎn)前覆蓋范圍

環(huán)繞器UHF 頻段中繼天線波束角為±80°，方位角為0°～360°；著陸巡視器背罩天線俯仰方向與+X軸最大夾角為80°，方位方向上與-Z軸夾角為-100°～100°。

兩器分離后（建立中繼姿態(tài)）至著陸巡視器火星大氣進(jìn)入前，α和γ角均在天線波束角指標(biāo)范圍內(nèi)，可以保證環(huán)繞器與著陸巡視器全程可見。天線覆蓋仿真分析如圖9 和10 所示。

圖9 兩器分離后至進(jìn)入前α 角Fig.9 α angle from separation to entry

圖10 兩器分離后至進(jìn)入前γ 角Fig.10 γ angle from separation to entry

（2）EDL 階段覆蓋范圍分析

從進(jìn)入點(diǎn)開始至著陸，著陸巡視器完成開傘、拋背罩等動(dòng)作導(dǎo)致姿態(tài)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，γ角出現(xiàn)不規(guī)律變化。環(huán)繞器在對(duì)日定向姿態(tài)下，選擇合理的繞+Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度，可以使α 角小于80°。天線覆蓋仿真分析如圖11 和12 所示。

圖11 EDL 段α 角（環(huán)繞器繞+Z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)不同角度對(duì)比）Fig.11 α angle of EDL stage (different angles of rotation around + Z axis)

圖12 EDL 段γ 角Fig.12 γ angle of EDL stage

4.2.2 UHF 頻段中繼天線覆蓋范圍分析

考慮著陸姿態(tài)15°的不確定量，當(dāng)俯仰角小于65°時(shí)，進(jìn)入U(xiǎn)HF 頻段中繼天線波束范圍內(nèi)；俯仰角小于15°時(shí)，進(jìn)入火星車UHF 頻段中繼天線高增益區(qū)?；鹦潜砻嬷欣^通信角度及距離變化示意圖如圖13 所示。隨著時(shí)間的推移，中繼弧段持續(xù)時(shí)間呈現(xiàn)先縮短再增長的趨勢(shì)，兩器通信距離呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。

圖13 火星表面中繼通信角度及距離變化示意圖Fig.13 Schematic diagram of relay communication angle and distance change on the surface of Mars

4.3 UHF 頻段中繼通信鏈路分析

（1）兩器分離至EDL 階段

兩器相距30 m 后，開始進(jìn)行UHF 頻段中繼通信（環(huán)繞器接收、發(fā)射通道含衰減），功率滿足接收機(jī)最大輸入功率要求。環(huán)繞器抬軌后，兩器相距約1.5 km，在含通道衰減的情況下滿足2 kb/s（編碼后）通信需求；去除通道衰減后，功率滿足接收機(jī)最大輸入功率要求。整個(gè)EDL 過程兩器最大相距600 km 時(shí)，返向通信碼速率采用2 kb/s（編碼后）。

（2）火面工作階段

落火后，兩器最大通信距離可達(dá)15 000 km，由于兩器UHF 頻段中繼天線在不同的波束范圍區(qū)域內(nèi)天線增益不同，僅能在兩器UHF 頻段中繼天線±30°波束內(nèi)實(shí)現(xiàn)最遠(yuǎn)15 000 km 通信。近火通信弧段前向碼速率保持32 kb/s，返向碼速率在1～2 048 kb/s 間切換；遠(yuǎn)火通信弧段前返向碼速率保持1 kb/s。

火面工作階段，UHF 頻段中繼通信時(shí)機(jī)示意圖如圖14 所示。

圖14 UHF 頻段中繼通信時(shí)機(jī)示意圖Fig.14 Schematic diagram of UHF band relay communication timing

5 在軌驗(yàn)證情況

2021 年5 月15 日7 時(shí)17 分58 秒，著 陸 巡 視 器成功著陸至火星烏托邦平原南部預(yù)選著陸區(qū)。圖15 為EDL 過程進(jìn)入艙及火星車UHF 收發(fā)信機(jī)接收機(jī)接收信功率的變化趨勢(shì)。在兩器進(jìn)入EDL 階段前，通信鏈路保持穩(wěn)定狀態(tài)。進(jìn)入火星大氣后，信號(hào)出現(xiàn)較大起伏。經(jīng)分析，接收信號(hào)功率的起伏主要受兩器距離變化、黑障、降落傘和背罩分離引起的著陸巡視器大角度姿態(tài)變化、火星車接力后天線指向引起的信道變化影響等［15］。

圖15 EDL 段接收信號(hào)功率在軌實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.15 Actual measurement results of received signal power in EDL stage

2021 年5 月17 日8 時(shí)15 分37 秒，環(huán) 繞 器 執(zhí) 行第4 次近火制動(dòng)進(jìn)入中繼通信軌道。2021 年5 月22 日10 時(shí)40 分，火星車安全駛離著陸平臺(tái)至火星表面。根據(jù)實(shí)際在軌火星車行駛工作規(guī)劃，考慮UHF 頻段天線特點(diǎn)，每個(gè)火星日當(dāng)?shù)貢r(shí)刻14：00左右開展近火弧段UHF 中繼通信工作，通信窗口時(shí)長約為8 min；遠(yuǎn)火弧段，根據(jù)任務(wù)安排擇機(jī)選取1 h 進(jìn)行UHF 中繼通信。其中，7 月16 日～7 月28日間，由于環(huán)繞器過境窗口時(shí)長調(diào)整，中繼數(shù)據(jù)下傳受限，地面站接收數(shù)據(jù)量約為90 Mb/Sol，具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖16 所示。

圖16 壽命期內(nèi)火星車UHF 頻段返向傳輸數(shù)據(jù)量統(tǒng)計(jì)Fig.16 Statistics of the return transmission data of UHF band during the life period

國內(nèi)外火星探測(cè)器中繼通信能力比較如表2所示。通過對(duì)火面工作段返向傳輸數(shù)據(jù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，“天問一號(hào)”火星探測(cè)器中繼通信系統(tǒng)UHF 頻段返向數(shù)據(jù)吞吐量約為150 Mb/Sol，高于美國Odyssey 火星探測(cè)器與歐空局MEX 火星探測(cè)器中繼通信能力［16］。

表2 國內(nèi)外火星探測(cè)器中繼通信能力比較Table 2 Comparison of relay communication capabilities of Mars probes

6 結(jié) 論

“天問一號(hào)”火星探測(cè)器UHF 頻段中繼通信系統(tǒng)在軌工作正常，圓滿完成了中國首次火星探測(cè)任務(wù)工程目標(biāo)。通過在軌飛行試驗(yàn)驗(yàn)證了火星探測(cè)UHF 頻段體制下的中繼通信方案設(shè)計(jì)正確性，也驗(yàn)證了遠(yuǎn)距離、長時(shí)延條件下深空探測(cè)全自主中繼通信技術(shù)的良好性能，為中國后續(xù)深空探測(cè)任務(wù)中地外天體表面探測(cè)器中繼通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)，為實(shí)現(xiàn)深空探測(cè)器高效、大容量中繼通信奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。