我国深空原位通信工程实践及发展展望

翟盛华 董超 田嘉 惠腾飞 李雄飞（中国空间技术研究院西安分院）

1 引言

2021年11月，我国天问一号与欧洲航天局（ESA）“火星快车”（MEX）任务团队合作，开展了“祝融”火星车与“火星快车”轨道器在轨中继通信试验，取得圆满成功。

试验前，双方向各自探测器通过上行指令做好工作准备。在约定时刻，由“祝融”向“火星快车”发送测试数据，通信距离约4000km，通信时长10min。“火星快车”接收数据后转发给欧洲航天局所属深空测控站，测控站接收后发送给欧洲空间操作中心（ESOC），ESOC再转发至北京航天飞行控制中心，由中方技术团队解译后，判读数据的正确性。

“祝融”和“火星快车”中继通信示意图

2 原位通信概述

原位通信的概念

原位通信是指被探测星体附近及表面探测器之间的通信链路，一般用于环绕器、着陆器、巡视器、轨道星座以及轨道中继卫星之间的通信，因此也称为器间通信。天问一号任务的圆满成功拉开了我国行星际探测的序幕。众所周知，行星际距离范围内的通信是太阳系探索的基本挑战之一。以火星为例，在绕太阳运行的过程中，地球与其之间的距离高达4×10km，大约是地球同步通信卫星轨道的10000倍。由于无线电信号在传输中的衰减量与通信距离的平方成正比，导致火星与地球的通信比常规卫星通信的难度呈数量级的增加。为了抵消这一巨大的空间损失，深空探测器需利用高增益天线和高功率放大器增加等效全向辐射功率（EIRP），并提高自身接收机的灵敏度，从而达到行星际探测所需的数据通信速率。

然而，对地外星体的表面进行着陆巡视探测受制于工程的挑战和向地外星体表面输送质量的高成本。与轨道飞行器相比，着陆巡视航天器通常只能使用体积更小、增益更低的天线，并且用于支持通信的能量和功率也更少。因此，着陆巡视航天器的直接对地通信能力通常远远低于深空探测活动的需求。

高速数据传输的需求

为了对地外星体着陆巡视探测的数据传输需求有一个直观的了解，以一张图片为例，360°立体全景，具有3个光谱带，角度分辨率为10rad，每个光谱带每像素量化12位，与人眼分辨率相当，计算可得所需的数据量为450Mbit。

可以看出，仅一张图片就需要如此大的数据量，更何况是其他科学探测载荷的探测数据。为了应对这一挑战，从质量和功率严格受限的环境中返回大量数据，原位通信提供了一种有效的解决方案。通过该技术，地外星体表面的着陆巡视器就不用支持对地的高速通信链路，仅需要支持一条到轨道器的高速通信链路，通信距离要小很多。以火星为例，对比4×10km的地火距离，火星表面的着陆巡视器和火星轨道器之间的距离一般为几百至几万千米，在这种距离下，由于空间损耗大大减少，即便是一个全向天线、低功率的发射机也能支持较高的速率。

原位通信的优势

与直接对地通信相比，原位通信还具有其他一些优势。中继轨道的航天器可在对地不可见的时间段内为着陆巡视器提供中继通信机会，一个明显的例子是在火星夜间的中继通信能力，另一个不太明显的例子就是为火星两极附近的着陆巡视器提供对地通信能力，由于火星的自转轴与黄道平面的夹角约为258°，因此，火星的两极在一个火星年中有好几个月对地不可见。

原位通信示意图

除此之外，原位通信还能提供基于多普勒测量的导航服务。例如：轨道器在飞行过程中，监测其和着陆巡视器之间的通信链路信号，并对信号的多普勒频移进行精确测量，通过计算得到着陆巡视器相对于轨道器的位置信息，最终反演出着陆巡视器在火星坐标系下的位置信息。

技术难点

因此，作为目标星体表面着陆巡视器大数据量中继的唯一途径，原位通信意义重大，其技术难点如下：

1）接收信号电平低。虽然原位通信节点中的航天器的距离不是非常遥远，但是由于深空探测任务中重量及功率资源的极端紧张，造成各航天器的通信信号有效发射功率和天线接收能力严格受限，为保证在大椭圆轨道的远端仍可以通信，需确保在极低的信号电平下仍能够对信号进行可靠的捕获及接收。

2）自适应大数据量中继要求高。由于目标星体着陆巡视器和轨道器需要在有限的弧段内完成大数据量的中继，如果采用固定的传输速率，会造成通信资源的巨大浪费，因此需要航天器能够实时进行多模式信号的自适应解调译码及编码调制，贴着信道通信容量的理论极限—“香农限”最大限度地传输数据。

3）智能化要求程度高。由于目标星体周边的探测器距离地球极为遥远，而且经常面临各种风险，如在一个极短可见弧段内若未收到遥控，或未发出遥测导致探测器未进入保护模式（如：火夜、火星沙尘暴等），将造成探测器受损甚至失效，后果十分严重，因此对探测器的全自主智能化要求极高。

4）测量精度要求高。为保证对目标星体表面着陆巡视器的准确定位，需要在通信的同时实现高精度双向多普勒（Doppler）频移测量，测量精度达到0.001Hz量级。

5）工程化能力要求高。相较于目标星体轨道器，着陆巡视器对重量、功率及环境（如：火星大气）适应性的要求更苛刻。

3 国外深空原位通信现状

国外深空探测从月球开始，依次探测了火星、金星、土星及冥王星等。但是考虑到目标星体的价值和着陆巡视的可行性，目前，原位通信主要应用于月球探测和火星探测中。

美国于1960年率先开展深空探测，实施的深空探测任务最多。在20世纪60～70年代完成了载人登月的壮举后，停止了月球探测活动。直到1994年再次重启探月活动，并先后发射了克莱门汀号（Clementine,1994年）、月球勘探者号（Lunar Prospector,1998年）、月球勘测轨道飞行器（LRO,2009年）、月球环形山观测与感知探测器（LCROSS,2009年）、重力回溯及内部结构实验室（GRAIL,2011年）、月球大气与尘埃环境探测器（LADEE,2013年）。除了月球探测任务，美国还参与并实施了多次火星探测任务，如：火星奥德赛号（Odssey）、洞察号（Insight）和毅力号（Perseverance）等。总体上，美国在深空探测原位通信领域取得的成果最为丰富。

俄罗斯在月球、金星和火星探测方面发射次数多，探测方式多样，取得了引人瞩目的成绩，但绝大多数探测任务均集中在冷战时期。随着2012年“福布斯-土壤”（Phobos-Grunt）任务的失利，俄罗斯开始全面审视其深空探测计划，以期在未来的航天活动中取得进展和突破。目前，俄罗斯无人月球探测规划了“月球-资源”（Luna-Resource）和“月球-水珠”（Luna-Glob）任务，具体包括月球-25、26和27等探测器。俄罗斯航天局当前正在建造月球-25着陆器，旨在对未来建立月球基地进行位置评估。火星探测方面，俄罗斯参与或独立实施的任务有“火星生物学”（ExoMars）任务，以及2022年以后实施的福布斯-土壤-2（Phobos-Grunt-2）火卫一采样返回任务。

欧洲航天局在2004年发布了“曙光”（Dawn）深空探测专项计划，其长远目标是载人火星飞行。“曙光”计划的旗舰任务包括在火星表面着陆，进行生物学研究的“火星生物学”、月球着陆任务和火星采样返回任务。目前，“火星生物学”第一阶段任务已执行完毕，“火星生物学”第二阶段任务预计将在2022年发射俄罗斯与欧洲航天局联合研制的着陆平台和火星车，主要任务是对火星土壤和岩石进行钻孔采样分析。

以上任务中的探测器均涉及原位通信，由于原位通信通常包括不同国家的不同航天器，考虑到国际合作的需要并进一步提高人类探测地外星体的效率，国际空间数据系统咨询委员会（CCSDS）规定了地外星体临近空间中继通信的体制协议（CCSDS Proximity-1）。目前，全球多个国家和地区均遵循此项标准协议。

4 我国深空原位通信工程实践

截至目前，我国深空原位通信已经应用于嫦娥三号、嫦娥四号、天问一号任务中，并取得了良好的效果。

嫦娥三号着陆器特高频（UHF）频段接收机位于着陆器上，用于实现最远3km的遥测及数传信号的接收，通信链路为巡视器至着陆器单向链路。UHF接收机实现了1024bit/s、200kbit/s、400kbit/s、800kbit/s多档数据速率的接收与正确解调，信号接收灵敏度达到-125dBm。

嫦娥四号着陆器月面通信系统除应具备支持3km最远通信距离的任务需求外，还需满足两器对接状态下200kbit/s码速率的近距离通信需求，故对功率动态范围提出了严苛要求，需至少实现-125～-5dBm的大动态范围功率适应性，动态范围达到120dB以上。为此，嫦娥四号着陆器测控通信系统在嫦娥三号月面通信系统的基础上增加UHF频段开关网络，可通过指令设置其传输通道内的插损值。衰减值的确定充分考虑了系统工作的功能性能和电磁兼容需求，可保证接收机入口电平的安全裕度在20dB以上，同时避免了高插损模式下信号泄漏现象的发生。

“祝融”火星车的UHF频段收发信机，在嫦娥三号、嫦娥四号UHF接收机的基础上实现了信号发射、信号接收和复杂协议处理等工作。主要体现在以下几点突破：

1）接收灵敏度大幅提升。实现了载波捕获跟踪灵敏度-141dBm的指标；

2）增加了体制协议处理单元，完成CCSDS Proximity-1协议的各项内容，含接入体制的动态配置、双向自动重传请求（ARQ）、信道及载波速率的配置、通信参数的变更等；

嫦娥三号原位通信示意图

嫦娥四号原位通信示意图

天问一号火星车与环绕器原位通信示意图

3）增加了发射信号处理、功率放大单元，实现了40.5dBm的发射功率；

4）增加了微波双工网络，实现了高隔离度小型化收发双工处理。

“祝融”火星车的UHF频段收发信机作为我国原位通信工程实践的集大成者，其采用了如下关键技术：

1）采用超高灵敏度高动态捕获跟踪方法，实现了高灵敏度、大动态范围信号的捕获、跟踪及同步。

2）采用多维自适应变速率通信方法，实现了收发多速率档自适应通信。

3）基于CCSDS Proximity-1的复杂协议处理方法，实现了全双工、半双工、单工等多种通信模式。

4）采用高收发隔离小型化设计方法，实现了小型化设计约束下的收发一体隔离设计。

下文分别对产品设计中的几项关键技术进行介绍。

超高灵敏度高动态捕获跟踪方法

在天问一号探测任务中，“祝融”火星车需要与环绕器进行中继通信。由于火星环绕器运行在大椭圆轨道，为了在远火弧段仍可以通过器间中继链路进行通信，回传“祝融”的关键科学数据，需要保证在极低的信号电平下仍能够可靠完成信号的捕获和接收。

“祝融”火星车与环绕器之间的物理层通信遵循CCSDS Proximity-1物理层标准，采用基于残留载波的相位调制方式。针对采用曼彻斯特编码的残留载波调制方式的特点，通过精细滤波和窄带宽环路跟踪，实现对载波的提取跟踪。

低信噪比解调的核心问题是高灵敏度、大动态范围信号的捕获、跟踪及稳定同步。在“祝融”火星车UHF频段收发信机的设计中，采用了多种手段和方法来实现高灵敏度和大动态的要求：

1）采用低噪声系数高增益通道设计，通过多级协同放大滤波、精细化谐杂波控制等手段，实现70dB以上的通道增益，以保证后端数字信号处理的有效性。

2）通过多级数字滤波抽取模块，一方面提取出各速率档对应的有效信号，另一方面将除载波以外的其他信息全部滤除，可实现对极低信噪比信号的跟踪。

3）针对残留载波调制的特点，采用独特的数字信号处理技术将载波与调制信号精准分离，针对分离出的载波，利用自适应变参环路结构进行优化设计，实现对载波信号的大动态精准捕获与跟踪。

4）针对残留载波调制的特点，利用高精度相位估计校正技术，将载波信号锁定在同相支路，信息信号锁定在正交支路，避免相位翻转的问题，减小了处理复杂度。

5）采用基于定时误差估计的变速率多级位同步估计算法，实现针对可变速率的大动态低处理损失位同步估计。

基于以上系列技术的紧密配合，“祝融”火星车UHF频段收发信机综合实现了-141dBm的超高灵敏度信号捕获与接收，实现了-140dBm低电平的载波跟踪，功率动态范围不小于100dB，频偏适应范围达到±26kHz，频偏变化率适应范围优于±100Hz/s。

多维自适应变速率通信方法

对于深空探测任务，由于通信距离极远，地面的遥控指令有较大时延，例如：火星和地球之间的最远距离为4×10km，光行时约为22min，而且因为和地球可见弧段时间有限，不能实时控制，因此主要依靠探测器之间的自主通信。但是，由于探测器之间可见弧段内信道特性变化十分剧烈，固定的速率配置模式会导致在信道特性好的时候仍用较低档的速率传输，造成通信资源的巨大浪费，也很难满足有限的可见弧段内海量数据的传输需求，因此要求深空探测器能够实时进行多模式信号的自适应解调译码及编码调制。

相较于传统的固定速率、固定编码调制方式而言，多模式信号自适应变速率通信技术需适应多种编码方式、调制方式以及信道速率，使得探测器必须综合考虑多种模式信号的特点，优化捕获算法、跟踪算法、位同步算法、译码算法及编码调制算法的结构，从而导致星上处理硬件复杂度及软件复杂度都有了很大程度的增加。

综合考虑多模式信号的处理特点以及星上处理复杂度等约束条件，“祝融”火星车UHF频段收发信机设计了一种基于CCSDS Proximity-1体制的多维自适应变速率通信技术，该技术的特点为：一是采用基于曼彻斯特编码的极简信噪比估计算法，通过对能量积分的判决，判断出当前传输数据的速率，从而实现多模式信号的自适应接收；二是采用多维自适应变速率编码调制架构统型设计，通过速率适配、编码调制模式控制、帧控制、控制信号复接及多模式预失真，实现了多模式信号的自适应发射。

基于CCSDS Proximity-1的复杂协议处理方法

CCSDS Proximity-1协议主要由3个部分组成，分别是：《临近空间链路协议-物理层》《临近空间链路协议-数据链路层》和《临近空间链路协议-编码与同步子层》，其支持全双工模式、半双工模式和单工模式。

在全双工模式下，通信双方数据的发送和接收是同时发生的。通信双方首先在既定的信道进行握手动作，实现通信自主建立。在建立后执行双向自动重传操作（ARQ）实现数据的高可靠传输，并通过速率自适应切换实现贴着信道“香农限”最高效的传输数据。

在半双工模式下，同时只有一方发送数据另一方接收，通过转换标志（Token）机制实现发射方和接收方的角色互换，其余机制同全双工模式相同。

相较于全双工和半双工模式，单工模式简单且稳定，是当前深空通信领域中广泛应用的工作方式，对多变的深空信道环境也有较强的适应性。在协议通信单工模式中，指定的发送方或接收方只能发送或接收数据，且由于没有返回链路，所以不用发送信令信息，在固定的信道就能进行数据传输。

高收发隔离小型化设计方法

火星探测任务中，达到其入轨的燃料消耗远大于一般的低地球轨道（LEO）和中地球轨道（MEO）卫星，因此对产品的重量提出了极为严苛的要求。为了从系统上降低重量，要求收发共用天线，结合探测器的高灵敏度，从而对收发隔离的指标要求极高。为了从产品本身降低重量，衍生出单机产品的小型化设计，而这些都需要在高可靠的前提下进行，难度与复杂度极大。

针对火星探测任务中对轻小型化极为严苛的要求，“祝融”火星车UHF频段收发信机提出了一种高收发隔离小型化设计技术，颠覆了传统以功能维度分割单机的设计方法，基于统一架构，将电源、数字处理、收发通道、频综、固放和微波无源网络进行高集成化设计，并通过发射通道滤波设计、接收通道滤波设计和微波无源网络设计共同实现了高收发隔离，从而实现了系统级及单机级极限优化，将一个子系统集成为一台单机。

由于CCSDS Proximity-1采用UHF频段，收发频率最近间隔只有20MHz。固态放大器的输出功率约为42dBm，接收灵敏度达到-140dBm，接收与发射信号的功率差值在180dB以上。考虑到频率间距小、收发功率差极大，因此为实现收发共用天线的设计，最核心的问题便是收发隔离的设计。收发隔离设计的关键是接收滤波器和发射滤波器的设计，本系统最终采用小型化介质双工器的方案，在重量、体积尽量小的约束下，实现上述双工指标。

5 发展展望

“嫦娥”系列任务和天问一号任务的圆满成功使我国成为继美国之后在月球和火星全面验证与应用原位通信技术的国家，实现了我国原位通信系统从试验验证到装备应用的重大跨越，积累了丰富的在轨应用数据，为我国后续载人登月、火星采样返回等重大工程提供了坚实的技术基础和丰富的工程应用数据。该项技术的突破和产品的成功应用，提升了我国在深空通信领域的自主可控能力及国际竞争力。

随着人类深空探测的进一步推进，火星以及其他目标星体周边的探测器数量会越来越多，国际空间数据系统咨询委员会正在起草CCSDS Proximity-1协议的网络层部分，基于CCSDS Proximity-1的通信将逐渐从航天器之间的点到点通信演变为目标星体周边的原位通信网络。