美国国家航空航天局深空网

　　目前，深空网（DSN）由位于美国加州戈尔德斯顿、澳大利亚堪培拉、西班牙马德里的三个深空通信设施（DSCC），位于加利福尼亚州帕萨迪那的控制中心，以及位于加州帕萨迪那附近和弗罗里达肯尼迪角的测试设施组成。深空通信设施与帕萨迪那控制中心每周7天、每天24小时连续工作。可对深空航天器提供近连续的覆盖。三处设施中的每一处都具有1个70m天线、数个34m天线、1个26m天线、1个11m天线。34m、70m天线用于支持深空任务，小一些的天线则用于地球轨道任务。控制中心远程控制34m和70m天线，产生并发送航天器指令，接收并处理航天器遥测。　　与其它地基网相比，深空网有如下主要特点：　　——;分布式运行控制：例如航天器运行控制，科学运行控制，数据获取等等；　　——;每一个任务都是特殊的，需要特殊适应；　　——;国际任务和跟踪资源之间的互操作；　　——;信噪比约束下的测控，很长的双向光行时；　　——;特殊的跟踪和导航技术，不能应用GPS；　　——;多任务工具和服务的集成。　　面临未来深空任务挑战，下一代的深空网建设将分成两大部分：一是建设深空主干网，包括现有深空网全面升级至Ka频段，布设数百个天线组阵的天线阵，开展光通信技术研究，开发高效率深空通信设备和建设月球、火星卫星通信网络等；另一方面是建设与这个主干网相配套的工具和技术，包括提供多任务运行控制的操作系统、软件和标准，创新的任务操作概念和更高级的深空任务设计、导航技术和用户工具等。通过二者的结合，最终建设一个行星际的网络。具体的时间表是，第一步在2010年实现大于40Mbps的高速数据传输，开展光通信演示验证；第二步是通过天线阵，支持2018年的美国重返月球计划；更长远的规划是应用光通信技术，实现2020年行星自动探测器1000Mbps的高速数据传输，并在增强光通信性能后支持2030年载人火星探测计划。　　一、  NASA深空网现状　　NASA深空网（Deep Space Network，DSN）由位于美国加州戈尔德斯敦、澳大利亚堪培拉、西班牙马德里的3个地面终端设施组成，相互之间经度相隔约120°，这样可以为深空探测器跟踪测量提供连续观测和适当的重叠弧段。每个地面终端设施最少包含4个深空站，并且每个深空站都配有高灵敏度的接收系统和大口径的抛物面天线，具体包括： 　1个直径为34m的高效率（High Efficiency，HEF）天线　 1个直径为34m的波束波导（Beam Waveguide，BWG）天线（戈尔德斯敦有3个）　 1个由4个12m天线组成的天线阵 　1个直径为70m的天线 　　从2005年以来，深空网最主要的变化在于26m天线子网的退役和每个深空站12m天线阵安装的开始。从2005年到2030年，根据深空任务中下行数据传输要求，传输速率和链路困难，预计增长到106量级。为了满足这种快速增长需求，必须采用一系列测量方法和新的技术手段。 　　深空网现在的体系结构，使用大口径天线已不能有效满足NASA未来任务设置（灵敏度和导航），而且维护和运行过于昂贵。一种新的方法，就是使用可靠的、性价比较高、规模可变的小口径天线组成的天线阵来满足增长的需要。通过商业研究得出结论：在合理消费前提下，12m天线是商业化可用的；万一天线或接收机未接收到信号，操作时可以提供满意的衰减；还可以满足SMD未来任务设计的科学数据传输速率要求。天线组阵概念可以满足数量上显著增长的探测器需要，因为天线阵可以同时服务于几个任务，都可以提供满足每一个任务要求的口径。进一步来说，这些小天线相对于大天线来说拥有显著的商业化支持并拥有较长的生命周期。12m天线阵设计的至少包含400个天线，相当于提供等效口径为240m的大天线或者在X-频段比现在的70m天线能力提高120倍。子天线阵可以为几个探测器中每一个提供理想的口径。在空间不同地方的多个航天器或者空间相距较近的16个飞船能够使用天线阵的高灵敏度。　　在每个深空网地面站由4个12m天线组成的最初天线阵用来支持2008年晚些时候开始的RLEP(机器人月球探测计划)任务。在“谁使用谁投资”的思想指导下，天线阵经过一段时间会不断增长以满足需要，2020年将会完全达到计划的400个天线。　　二、  2010－2030年深空网发展规划    目前，NASA深空任务的特点正在发生很大变化，深空网必须进行调整去适应这些变化。据估计，未来的任务将要求下行链路传输速率和数量增加1～2个数量级，上行链路数据率也可能增加10～100倍。为了满足NASA及其他航天局任务迅速增加的需要，喷气推进实验室制定了一系列发展计划，重点放在优化结构，以及在预算不断削减的情况下降低操作维护费用、提高服务能力。目前，喷气推进实验室正在实施下述主要计划：    1．改造现有深空网    尽管未来深空网的发展将主要依赖新的技术方法，但仍要立足于现有深空网并充分利用其能力，其改造主要是：首先是延长70m天线的寿命，70m天线是从64m天线扩展的，设计利用率为25%，但大多数时间实际达到80%。其次，高数传速率的需求驱使深空网实施Ka频段改造计划。改造34m和70m天线，使其具备Ka频段遥测下行链路能力，可以在不建造新天线的情况下使下行链路能力在原有基础上增加4倍。需改进的另一关键问题是上行链路传输能力。由于航天器上搭载的指令接收机从S、X频段减少到只有X频段，加上70m天线的X频段发射机只有20kW（而S频段发射机为400kW），DSN可以通过提高发射功率或研制上行链路天线阵的方法解决此问题。    　此外，深空网正在实施多目标支持（MSPA）计划，即一个天线可以支持同时出现在其波束范围内的多个目标。目前，一个天线可以同时支持两个目标，但操作的复杂性和劳动量很大。将来，通过对深空网的自动化改造，每个天线可以同时支持4个目标。　　2．甚大规模天线阵计划    为满足未来数传速率不断增加的要求，一个方案是建造34m或70m天线，一种更经济的方案是利用大量小口径（10m级）天线组阵。NASA计划在南半球和北半球2或3个不同经度的位置布置甚大规模天线阵。该计划具体目标是，到2008年使天线阵的口径等效于2.8个70m口径天线；到2020年将深空网的信号接收能力提高100～500倍。    为了同时支持大量任务，每个天线阵可以划分为数个子阵。每个子阵由指向同一方向的所有天线组成，作用在一起相当于一个大天线。组成子阵的天线可以位于不同的地点，而且是动态的，可以在航天器过境期间随意改变，但不影响跟踪通信。    3．深空光学通信网    能将传输速率提高几个数量级的另一种方法是采用光学通信。光学天-地链路的地球端有两种实现方案——;地基和天基，但目前更倾向于前者。在地基方案中，将采用几个10m望远镜接收深空信号。地基方案中，望远镜的部署有两种方法。第一种方法称作“线性分散光学子网”（LDOS），即沿地球一周等间距地布置6～7个光学望远镜，NASA需要建立新的测站和基础设施。第二种方法称作“集群配置光学子网”（CDOS），在每个站上布置3个10m光学望远镜，全球共9个。    空基方案是在中、高地球轨道上部署光学望远镜。由于空间减少了3dB的大气信号衰减，光学望远镜的大小减至7m左右。但空基站的成本是地基站的8倍，而且同时只能支持一个目标。    目前，光学通信方案还处在概念研究阶段。JPL建立了光学通信技术实验室，开发出了1m的光学望远镜样机进行实验。从长远来看，JPL将在大多数深空任务中采用光学通信，以支持无法用射频通信满足的高速率任务。    4．建立火星网——;星际Internet    NASA的火星观测计划（MSP）正在开发火星轨道上的通信及导航卫星星座，称作火星网，用来支持未来火星探测中通信和导航之需要。该网络由低成本小卫星以及火星中继卫星组成，也是“星际Internet”最先实现的组成部分。作为DSN的扩展，该网络必须能够支持各种不同的用户，包括已规划的任务和尚未出现的任务概念。火星网对用户的支持必须是高效的、大量自主的，以满足用户数量不断增加的需要。该网本身的操作也是以一种高效、自主的方式进行。

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