月球无线通信技术发展研究

陈 飞

（诺基亚通信投资（中国）有限公司，浙江 杭州 310020）

0 引 言

月球通信是进行月球探索的基础和支撑，同时也是月球探测的重要保证，在探测过程中占据着举足轻重的地位。通信技术在人类深空探测活动中肩负着传输控制指令和数据信息的重要任务，是天、地、空一体化信息交互的重要手段。通信系统的设计要结合月球极地软着陆探测任务的实际情况，根据任务的特点和要求进行相关的设计工作。传统的微波通信技术虽然具备成本较低、技术成熟以及周期短的优势，但也存在着信道容量受阻和传输方向性差的问题，并不能够支持在月球上开展无线通信任务。而最新研究的空间光通信技术以激光光束作为传输介质，优点在于波束扩散较小，相比传统微波通信有较高的数据传输性能，并且保密性好、设备体积小。随着这项技术的迅速发展，有望成为未来月球通信技术的重要设施。此外，由于月球和地球宇宙空间的特殊性，地球与月球处于相互对立面，地球看不见月球的背面，月球也不能每天都看到地面，尤其是靠近月极的地区，会有半个月左右的时间与地面的仰角非常小，不能直接看到地面。针对月球这些看不见的地方，则需要地球轨道卫星系统与地面站建立直接通信链路。由于传统的卫星系统对此无法解决，因此本文提出研制专用的中继通信卫星。

1 月球无线通信技术发展现状

1.1 月球环境条件

20世纪60年代和70年代，月球中继通信卫星的研究工作跟随探月任务兴起，并根据阿波罗登月计划进行论证研究工作。该项目相关研究大学和机构部门对月球中继通信系统展开了探索与研究，并针对于月球通信技术的问题提出了许多月球中继通信系统的解决方法。由于各种阻碍限制，该项研究最后未能进行实际操作，但其对未来的月球探测任务来说具有可靠的参考依据，并提供了大量的真实数据。

月球探测中，必须保证数据信息在航天器之间高速传输并能够可靠地传递回研究基地。无线通信卫星从月球轨道到月球表面之间，在距离上存在着难以跨越的横沟，因此需要采用无线通信链路来提高数据传输速率。针对月球探测任务，在每个阶段都对地面站有着严格要求，其中包括能够与载人航天器和宇航员进行控制通信和实时测量等[1]。而且月球上面存在着各种类型的障碍，因此地面监视控制站和轨道卫星系统对载人卫星进行探测存在一定难度，需要月球无线通信卫星网络进行连续无缝地进行实时覆盖。另外，月球探测无线通信过程中，真空和月球表面是两个传输信道媒介，由于真空和月球表面具有特殊性，导致传输更加困难。虽然在地空信息传输过程中需要在各个飞行阶段对通信信号进行检测，但由于地面站可以对探测器形成支撑作用，完成对通信信号的检测，因此在这个阶段不需要立即开发专用的无线通信系统。另外，在月球无线通信技术中，低空通信信号链路的多径效应效果比自由空间通信信号链路更好，但月球属于自由空间通信系统，拥有月球岩石撞击坑等复杂的多径环境，会导致月球探测器在移动过程中产生不稳定性以及随机性[2]。因此，无线通信系统必须具备抗多径的技术。在探月和登陆任务中，由于月球背面的情况更加复杂，探测难度较高，而其又与地球的关系较为特殊，因此展开月球背面的通信技术显得尤为重要。月球背面如图1所示。

图1 月球背面

1.2 探月系统的应用

探月系统主要是采集月面信息，通过空旷的空间通道发送给地面接收器，进行信号的接收和处理。中国嫦娥三号探月工程的五大系统如图2所示。

图2 嫦娥三号三月工程的五大系统

月球无线通信系统主要由自由空间信道探月系统和光学地面站通信终端共同组成。其中，光学地面站通信终端的设计对信号接收起着重要作用。在传统的地面接收器中，使用更大孔径的望远镜来接收信号。此类望远镜不仅体积十分庞大，而且在维护方面需要花费很多成本，维护操作系数难度一般较高。在最新的研究中，从月球到地面的光通信系统接收端的设计采用了阵列望远镜结构。阵列望远镜接收端可以同步控制接收到的信号，当阵列中望远镜的数目过大的时候，可以对阵列进行分簇，从而实现部分信号的组合操作[3]。

合并后的信号通过地面上的高速数字网络进一步传输到中央信号处理基地，并且能够在那里对信号进行解码和整形。此外，望远镜之间的距离可以达到数百米，使得信号的空间分集接收更加合理。建立地面站与着陆器的通信链接，并建立详细测量员和中继卫星之间的信息传递方式。其中，登陆探头地对地测控通信链接主要负责登陆前月球测控通信任务。根据无线通信技术提出深空环境下的协议系统，基于DTN技术建立一个全新的协议系统，并将实现这个系统的长期运用视作发展目标。

基于DTN技术构建的协议系统覆盖了以往协议系统的功能和作用，其系统级别较高。利用DTN技术可以有效解决储存转发机制的时延和链路不连续带来的问题。无线通信技术卫星地面测控通信链接与中继链路可协同合作，实现空中资源优化配置。另外，需要由地面测控通信链路主要负责数据的详细测量和传输等工作。

2 无线通信技术面临的挑战

2.1 通信速率的要求

在发展过程中，需要考虑通信链路的设计，制定高速调制方案，并深入研究大气信道对深空光信号传输的影响。另外，由于深空光通信链路距离较远，功率预算较高，为此还需要综合考虑各种复杂因素以制定有效的链路预算。目前，大气对光信号的影响主要以近地FSO网络为主，短程FSO通道虽然与深空光通道相似，但也存在区别，所研究的深空光通信信道包括近地大气信道和近地真空信道两种通信信道。由于不同通信信道存在较大差别，因此对信道进行详细调查极为重要。此外，高速调制技术作为深空光通信系统的重要技术之一，对深空光通信系统的性能有着重要的影响。

一般来说，强度调制/直接检测和相干调制/外差检测是光通信调制方案中的两种系统方案[4]。但这两种调制方式限制了信号调制后的速率，不能满足人类对通信速率和带宽的要求，需要详细研究更有效的深空光通信网络路由算法。该算法用于计算从地球到月球及其他地方的深空通信距离。在不改变基本网络结构的情况下，DTN可以集成不同类型的网络下层协议，进而达到实现多个异构网络的相互连接。研究发现，其性能包括可扩展性和兼容性。由于不需要更改硬件，因此大多数设备具有低成本和良好的可行性。

无线通信与一般的地面通信和微波通信等通信技术有很大不同，存在时延大、不连续、丢包、拓扑变化复杂以及无线通信链路不对称等问题[5]。为解决以上问题，有必要详细研究月球无线通信技术的相关算法。

2.2 轨道位置的选择

月球中继通信卫星需要具有可靠性的特征，而且由于不同月球探测任务所需要的无线通信技术性能不同，为此需要根据需要根据具体的任务特点作出最合适的轨道位置规划。这是因为轨道位置的选择能够直接决定无线通信的覆盖特性和链路功能，而不同的覆盖特性和链路功能适用于不同的月球探测任务，因此轨道位置的选择对月球中继通信卫星而言至关重要。

对于月球和地面光通信链路而言，必须考虑大气的各种吸收和散射衰减。信号衰减不仅与大气衰减有关，还与传输距离和通信波长有关。随着传输距离的增加，衰减损耗逐渐增加。此外，光天线的增益决定了信号能量的损失率，光天线的设计直接关系到通信系统的效率和效果。无线通信系统能够帮助月球背面、月球两极的隐形探测以及载人航天器在月球轨道上的隐形探测和信息实时传递，因此需要具有强大的信息传输任务保障能力和支持数据有效保存的能力，从而实现以100 Mb/s的码率接收月球探测器的最新信息，再根据月球探测器获取的探测数据及时向宇航员发送语音、视频等。另外，其还需要对月球航天器的任务需求提供必要支持，如支持地面数据的注入传输和远程控制命令执行[6]。最后，需要控制信号传输距离造成的延迟，使通信前返回链路，特别是月球遥控操作和与宇航员的语音通信链路的转发延迟低于500 ms。

3 月球无线通信技术发展方向

3.1 无线通信卫星覆盖月球轨道

月球轨道的特点是靠近月球表面，可以以相对较低的成本进行高速中继通信。通过研究其动力学特性发现，无线通信无法与其他卫星持续通信。如果用两颗卫星进行信号传输，虽然也可以在一定程度上解决这个问题，但会造成运行成本增加的问题，而且会导致测控管理更加烦琐复杂。为此，需要对中继通信卫星的具体位置进行研究，发现其在位于地球与月球的平行轨道时，可以通过校正该轨道，以单颗卫星实现月球背面的通信，并实现其与地面的高效数据传输。

随着探月任务的发展，月球探测器可能会在不同的月球轨道和月球表面位置上运行，因此月球中继通信卫星系统必须对整个月球轨道和月球表面进行覆盖和测控，以为各种航天器提供连续不间断的数据传输。未来将逐步对月球中继通信卫星系统进行建设，发展由多轨卫星组成的通信系统，以实现月球通信的全覆盖，并研究无线通信卫星系统以满足探月任务中通信需求[7]。而且一旦能够实现无线通信系统的月球范围全覆盖，就可以有效将地球和月球的平移轨道与卫星进行结合，形成综合服务保障优势[8]。但在此过程中，必须保证各平台资源的共享，以提高中继通信的码率，从而达到满足大容量数据传输的要求。

3.2 形成一体化的数据传输网络

为实现月球无线通信卫星系统的系统化发展，需要考虑中继通信、深空探索任务以及月球探测任务的需求。由于深空通信的信息损失较大，同时深空探测时由于能源限制，因此难以像地球站那样形成高功率，这就给高速数据传输带来困难。在探月通信时的实时遥控几乎无法对航天器平台以及有效载荷产生有效控制，在这种情况下必须综合考虑火星探测和小行星探测等深空探测任务的需求，不断对其进行改进[9]。月球无线通信卫星系统由地球轨道中继通信卫星系统和用户航天器等组成的陆空数据传输网络中心能够进行稳定可靠的无线通信导航规划，并对数据进行整合，从而协助各种探测任务[10]。此外，在进行无线通信技术改进的过程中还需要实时观察国际前沿技术，及时吸收国际上的先进技术以改进我国无线通信技术，实现我国无线通信技术的快速发展。同时还可以设计激光测控系统，提高远距离、长延迟以及弱信号测量的无线电频率，以消除深空探测任务中的通信困难，为通信一体化奠定坚实的技术基础。

4 结 论

未来，月球中继通信系统的开发和导航定位功能的开发需要同时进行，综合保障各项功能，以执行通信系统接入方式等关键链路设计任务。还可以吸收其他先进经验，为工程实施提出建议，并促进相关成果的运用，以此为我国未来月球极地探测和月球研究基地等大型常驻任务通信系统的设计提供一定参考。最后，还需要进行平台资源共享和信息共享，以有效降低系统开发建设成本，为探月任务提供更全面的保障。