深空通信

　　本书介绍了由深空网（DSN）和喷气推进实验室（JPL）负责的行星际探测通信系统设计。本书对六个具有代表性的行星际任务的设计和性能进行了描述，阐述了这些任务的系统设计和通信链路性能。这六个案例按照时间顺序，展现了从20世纪70年代至当前任务中，DSN、星载软硬件技术、能力和性能的进步。
　　第1章概要描述了过去五十年的深空通信能力，介绍了链路设计过程和DSN的当前能力。第2章概要描述了DSN。
　　第3章到第8章描述了从20世纪70年代的“旅行者号”到21世纪初的火星科学实验室任务，这六个任务是所有直接利用深空网测控通信的代表。其中的两个任务还可以通过火星轨道器中继实现火星表面探测器与地球之间的通信。
　　“旅行者号”任务原计划为木星和土星的飞越任务，其X频段通信系统是为了获取这些行星探测的科学数据量身定做的。随着深空网的发展，两个“旅行者号”航天器在完成原有任务的基础上，还能从飞越海王星和天王星甚至更远距离的拓展任务中传回数据。
　　“伽利略号”任务原计划是在其环绕的木星轨道上，利用X频段高增益天线向地面发送其获取的大部分科学数据。在飞往木星的巡航段早期，X频段高增益天线发生故障无法完全展开，故而JPL将主要精力放在了改变航天器软件和地面站遥测系统上，使其能够通过S频段低增益天线获取足够的科学数据。
　　“深空1号”任务的目的是作为在轨飞行平台对新技术进行验证，同时附带开展了一些科学探测。该航天器携带了首套小型深空应答机（SDST），自从在“深空1号”上使用以来，SDST已成为许多任务中航天器与DSN通信的主要手段。它还携带了一套Ka频段固态放大器，利用其对Ka频段深空通信性能进行了测试。值得关注的是，在航天器姿态控制系统出现故障后，通过航天器和地面站的联合控制，在数据接收期间成功实现了航天器天线的指向控制，完成了数据接收。
　　火星勘察轨道器除了其自身的科学探测任务之外，也作为火星表面着陆器和巡视器的通信中继终端。为了实现直接对地通信，火星勘察轨道器除了使用SDST外，还配备了100W的X频段行波管放大器和一个大口径固定式高增益天线。对于火星表面的UHF中继通信，它使用了无线电导航系统（Electra）收发信机和Proximity-1通信协议。
　　两个火星探测巡视器——“勇气号”和“机遇号”，为了完成火星表面操作任务，都配备了SDST和两套互为备份的X频段固态放大器用于直接对地通信，UHF收发信机用于与火星轨道器间的中继通信。原计划它们在火星表面着陆后的探测周期为90天，但两个巡视器都超期服役，其中“机遇号”目前仍在探测中。
　　火星科学实验室展现了首次用于“深空1号”、火星勘察轨道器和火星探测巡视器上通信系统的成熟度。2012年8月，火星科学实验室在火星着陆后，一直通过与火星探测巡视器类似的X频段设备实现对地通信，并通过与火星勘察轨道器相同版本的Electra收发信机实现中继通信。

吉姆·泰勒（Jim Taylor）
帕萨迪纳，加利福尼亚
2016年1月

《深空通信》主要介绍了NASA深空网和JPL开发的行星际探测任务的通信系统，用实例的方法介绍深空通信系统设计的性能。通过六个具体深空任务通信系统的设计和性能的完整描述，说明了从1970年至今NASA深空网所支持的任务的地面和星载的软件和硬件技术、能力和性能。

李赞，北京跟踪与通信技术研究所副研究员。主要从事月球与深空探测测控总体设计工作，曾获国家科技进步特等奖1项，省部级一等奖3项，二等奖1项；曾出版译著1部，发表学术论文十余篇，获授权专利5项。
程承，北京跟踪与通信技术研究所助理研究员。主要从事月球与深空探测测控总体设计工作，曾获部委级三等奖1项；曾发表学术论文数4篇，获授权专利3项。

第1章深空通信： 简介
1.1引言和概述
1.2通信链路分析
1.2.1接收功率
1.2.2噪声谱密度
1.2.3载波性能余量
1.2.4遥测和遥控性能余量
1.2.5测距性能余量
1.3通信系统设计控制
1.3.1设计控制表
1.3.2设计过程和性能准则选择
参考文献

第2章深空网： 功能性描述
2.1上行和下行载波操作
2.1.134m BWG地面站
2.1.270m（DSS-14和DSS-43）地面站
2.2无线电测量数据（多普勒和测距）
2.3双差分单向测距
2.4遥控处理和发送
2.5遥测解调和解码
2.6DSN性能
2.6.1天线增益
2.6.2发射功率
2.6.3系统噪声温度
2.6.4门限和极限值
参考文献

第3章“旅行者号”通信
3.1“旅行者号”星际任务描述
3.2通信功能性能概述
3.2.1上行链路
3.2.2下行链路
3.3探测器通信系统设计
3.3.1探测器通信系统概述
3.3.2调制解调子系统
3.3.3射频子系统
3.3.4S/X频段天线子系统
3.3.5通信系统输入功率和质量
3.4地面通信系统概述
3.4.1上行和下行链路载波操作
3.4.2遥控处理
3.4.3遥测处理
3.5通信系统性能示例
3.5.1设计控制表
3.5.2长期计划预测
3.6新型航天器和地面通信新技术
3.6.1航天器和通信链路设计方面与以往任务的比较
3.6.2探测器为了与天王星和海王星交会而做的改进
3.6.3地面系统性能改进
3.6.4地面显示和可操作性的改进
3.7“旅行者号”星际任务运行情况
3.7.1跟踪覆盖
3.7.2RFS策略
3.7.3探测器故障保护
参考文献
附加资料

第4章“伽利略”通信
4.1任务及航天器概述
4.1.1任务
4.1.2航天器
4.2“伽利略”航天器通信系统
4.2.1“伽利略”通信功能与模式
4.2.2射频子系统
4.2.3调制解调子系统（MDS）
4.2.4S/X频段天线子系统（SXA）
4.2.5X频段到S频段下变频器
4.2.6飞行期间的通信系统硬件性能
4.2.7轨道器输入功率和质量概述
4.3“伽利略”S频段任务
4.3.1概述
4.3.2“伽利略”S频段任务的地面系统改进
4.3.3数据压缩
4.3.4“伽利略”编码与反馈级联译码
4.4通信链路性能
4.4.1设计控制表
4.4.2长期计划预测
4.5通信操作方案
4.5.1规划的与实际的DSN覆盖
4.5.2发射段
4.5.3巡航段
4.5.4HGA展开尝试
4.5.5探测器分离、木星巡航和木星轨道进入
4.5.6在轨运行阶段
4.5.7太阳会合
4.5.8“伽利略”木卫二任务与“伽利略”千禧年任务
4.6探测器到轨道器的中继链路设计
4.6.1概述
4.6.2中继链路的需求与设计
4.6.3已实现的中继链路性能概要
4.7经验教训
参考文献

第5章“深空1号”
5.1任务与探测器描述
5.1.1技术验证
5.1.2任务概述
5.1.3通信子系统概述
5.2通信系统需求
5.3通信系统描述
5.4“深空1号”通信技术
5.4.1小型化深空应答机（SDST）
5.4.2Ka频段固态功率放大器（KaPA）
5.4.3信标监视操作试验（BMOX）
5.4.4通信系统质量与输入功率
5.5地面测控系统描述
5.5.1上/下行链路载波
5.5.2无线电测量数据（多普勒数据与测距数据）
5.5.3遥控处理与发射
5.5.4遥测解调、解码、同步与显示
5.6通信链路性能
5.7操作方案
5.7.1发射段
5.7.2安全模式
5.7.3停泊过境（高增益天线指向地球，高速率）
5.7.4周中过境（以推进姿态操作IPS）
5.7.5高增益天线的活动（2000年1—6月，2001年3月）
5.7.6冲日
5.7.7Ka频段下行链路
5.8经验教训
5.8.1通信相关的经验教训
5.8.2项目层面的经验教训
参考文献
附加资料

第6章火星勘察轨道器
6.1任务概述
6.2任务阶段和轨道概要
6.2.1任务目的
6.2.2MRO航天器
6.2.3任务阶段
6.2.4MRO的轨道及对表面航天器的中继覆盖
6.2.5支持着陆探测器EDL的MRO轨道相位调整
6.3通信子系统概况
6.3.1X频段： 巡航及轨道操作
6.3.2UHF： 邻近中继通信
6.3.3Ka频段： 操作验证
6.4地面数据系统
6.4.1深空网
6.4.2Ka频段验证需求
6.4.3通过Electra中继数据的地面数据流
6.5X频段通信操作
6.5.1巡航段标校
6.5.2MOI期间的通信配置
6.5.3气动减速期间的通信配置
6.5.4下行链路遥测调制及编码
6.5.5协调MRO与MER的X频段操作
6.6Ka频段巡航段验证
6.6.1Ka频段操作概况
6.6.2巡航段Ka频段链路预测及性能
6.6.3Ka频段通信验证规划
6.6.4航天器X频段和Ka频段约束及操作要点
6.6.5ΔDOR的X频段和Ka频段操作及性能
6.6.6规划的太阳会合试验
6.7经验教训
6.7.1X频段
6.7.2Ka频段
6.7.3UHF
参考文献

第7章火星探测巡视器通信
7.1任务与航天器概述
7.1.1任务目标
7.1.2任务描述
7.1.3航天器
7.2通信子系统概述
7.2.1X频段： 巡航、EDL、火星表面
7.2.2UHF： EDL、表面操作
7.2.3直接对地下行链路性能
7.2.4UHF中继性能
7.3通信子系统硬件和软件
7.3.1X频段飞行子系统概述
7.3.2UHF
7.3.3MER通信子系统硬件质量和功率总结
7.4地面系统
7.4.1深空网
7.4.2进入、下降和着陆通信
7.4.3中继数据流
7.5通信子系统和链路性能
7.5.1X频段： 巡航、EDL和表面操作
7.5.2UHF： EDL和主任务表面操作
7.6经验教训
7.6.1可作为未来样板的内容
7.6.2改进之处
7.7后续扩展任务
7.7.1“勇气号”
7.7.2“机遇号”
参考文献

第8章火星科学实验室
8.1火星科学实验室任务和航天器综述
8.1.1任务概述
8.1.2发射/到达时机选择
8.1.3发射和初始捕获段
8.1.4巡航段
8.1.5接近段
8.1.6EDL段
8.1.7飞行系统描述
8.2通信子系统概述
8.2.1发射、巡航和进入EDL期间的通信
8.2.2火星表面工作
8.2.3X频段飞行子系统描述
8.2.4UHF飞行子系统描述
8.2.5末端下降传感器（着陆雷达）概述
8.2.6MSL通信硬件质量和功率
8.3地面系统EDL操作： EDL数据分析（EDA）
8.4通信子系统链路性能
8.4.1X频段
8.4.2UHF
8.5火星表面操作（规划）
8.5.1任务操作系统方法
8.5.2火星表面工作初始段的地面操作
8.5.3初90个火星日后的战术操作
8.5.4UHF通信约束
8.6火星表面操作（飞行特性）
8.6.1减小电磁干扰的影响
8.6.2MRO和“奥德赛”链路获得的数据量
8.6.3中继链路模式
参考文献
缩略语
合作网站
索引

《深空通信》主要介绍了NASA深空网和JPL开发的行星际探测任务的通信系统，用实例的方法介绍深空通信系统设计的性能。通过六个具体深空任务通信系统的设计和性能的完整描述，说明了从1970年至今NASA深空网所支持的任务的地面和星载的软件和硬件技术、能力和性能。

李赞，北京跟踪与通信技术研究所副研究员。主要从事月球与深空探测测控总体设计工作，曾获国家科技进步特等奖1项，省部级一等奖3项，二等奖1项；曾出版译著1部，发表学术论文十余篇，获授权专利5项。
程承，北京跟踪与通信技术研究所助理研究员。主要从事月球与深空探测测控总体设计工作，曾获部委级三等奖1项；曾发表学术论文数4篇，获授权专利3项。