(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

FAST深空數(shù)據(jù)傳輸速率分析*

毛新顏**，張志強(qiáng)

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

500 m口徑反射面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)是目前世界口徑最大、最靈敏的射電天文望遠(yuǎn)鏡。為了分析FAST對深空探測任務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸支持能力，利用數(shù)據(jù)傳輸鏈路預(yù)算分析方法，在規(guī)定特定工程余量的條件下，詳細(xì)計(jì)算了FAST應(yīng)用在內(nèi)行星、外行星及柯伊伯帶(Kuiper belt)天體探測任務(wù)中的數(shù)據(jù)傳輸速率。計(jì)算結(jié)果表明，F(xiàn)AST等效成口徑300 m的地面接收天線，能使目前的深空通信數(shù)據(jù)下行傳輸速率提高70～400倍，未來其將會(huì)強(qiáng)有力地支持我國的火星、木星等深空探測任務(wù)。

500 m口徑反射面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)；數(shù)據(jù)傳輸速率；鏈路分析；深空探測

1 引 言

2016年10月，我國自主設(shè)計(jì)建設(shè)的500 m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope,FAST)落成啟用，其具有極高的射電觀測靈敏度，能夠接收到137億光年以外的電磁信號，觀測范圍可達(dá)宇宙邊緣，被譽(yù)為“中國天眼”。該望遠(yuǎn)鏡由主動(dòng)反射面系統(tǒng)、饋源支持系統(tǒng)、測量與控制系統(tǒng)、接收機(jī)與終端機(jī)觀測基地等幾大系統(tǒng)構(gòu)成,具有三大主要特點(diǎn)：一是利用天然的適于射電望遠(yuǎn)鏡建設(shè)的貴州喀斯特洼坑作為臺址；二是利用主動(dòng)變形反射面，在觀測方向上形成300 m口徑的拋物面匯聚電磁波，并在地面改正球差，實(shí)現(xiàn)寬帶和全偏振觀測；三是使用輕型索拖動(dòng)饋源支撐系統(tǒng)和并聯(lián)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)接收機(jī)的高精度定位及跟蹤[1]。作為世界上口徑最大射電天文望遠(yuǎn)鏡，F(xiàn)AST的應(yīng)用領(lǐng)域不局限于射電天文現(xiàn)象的觀測，也可用作深空探測器的數(shù)據(jù)接收天線，應(yīng)用于火星等深空探測任務(wù)的科學(xué)數(shù)據(jù)傳輸。

本文詳細(xì)討論了FAST在太陽系各類星體探測任務(wù)中的數(shù)據(jù)傳輸速率。根據(jù)各天體與地球的相對位置關(guān)系，利用鏈路預(yù)算分析表，得出下行數(shù)據(jù)傳輸碼速率的變化范圍，并將該數(shù)據(jù)與現(xiàn)今深空網(wǎng)的最大傳輸速率進(jìn)行比較，通過比較得出了其對當(dāng)今深空數(shù)據(jù)下行速率的提升幅度。

2 望遠(yuǎn)鏡跟蹤原理及主要技術(shù)指標(biāo)

FAST定位跟蹤原理如下：在貴州喀斯特洼地內(nèi)鋪設(shè)口徑為500 m的主動(dòng)反射面球冠，其主動(dòng)反射面分成多個(gè)小球面單元，由促動(dòng)器控制，在觀測方向形成300 m口徑的瞬時(shí)拋物面[2]，見圖1；采用光機(jī)電一體化的索支撐輕型饋源平臺，加之饋源艙內(nèi)的兩次調(diào)整裝置，在饋源與反射面之間無剛性連接的情況下，實(shí)現(xiàn)高精度的指向跟蹤；饋源艙內(nèi)則配置了多頻段多波束的接收機(jī)系統(tǒng)用于接收射電無線信號。

圖1 FAST微波光學(xué)Fig.1 FAST microwave optics

FAST射電望遠(yuǎn)鏡的主要技術(shù)指標(biāo)詳見表1。

表1 FAST主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Main specifications of FAST

作為一個(gè)低頻地面設(shè)備，F(xiàn)AST是獨(dú)一無二的。我國西南的緯度使它處在全球深空網(wǎng)(Deep Space Net，DSN)一個(gè)有利位置，加之它的易變結(jié)構(gòu)，有較大的升級改造空間[3]。

3 數(shù)據(jù)傳輸速率的鏈路分析方法

對于航天器的科學(xué)數(shù)據(jù)傳輸通信而言，其最大傳輸速率可通過鏈路預(yù)算方式得出。通過指定的工程鏈路余量，計(jì)算最高數(shù)據(jù)傳輸速率。為最大限度地發(fā)掘FAST的數(shù)據(jù)接收能力，本文將鏈路余量規(guī)定為滿足工程要求的3 dB，此值已為數(shù)據(jù)傳輸鏈路的余量下限。

利用雷達(dá)公式計(jì)算地面站總的實(shí)際接收載噪譜密度比，進(jìn)而得到實(shí)際接收信號的信噪比，將此值減去滿足一定誤碼率所需的信噪比、指定的工程余量便得到了鏈路滿足的最高碼速率。

實(shí)際接收的載噪譜密度比計(jì)算公式如下：

(1)

式中：星上發(fā)射功率Pt乘以發(fā)射天線增益Gt并扣除饋線損耗Ltc得到航天器的發(fā)射有效全向輻射功率Et，自由空間損耗為Lf，地面接收天線增益為Gr，大氣吸收、極化、天線指向等損耗為La,k是波爾茲曼常數(shù)，Ts是接收系統(tǒng)噪聲溫度，Bn是噪聲等效帶寬。公式(1)中等號右側(cè)的分子部分為實(shí)際接收的信號功率，等號右側(cè)分母部分為接收匹配負(fù)載的噪聲功率。

將公式(1)轉(zhuǎn)化為對數(shù)形式為

(2)

由此得到最大傳輸速率計(jì)算公式如下：

(3)

式中:Ls為地面的調(diào)制、解調(diào)及非線性損耗，Eb/N0為滿足一定誤碼率條件下解調(diào)所需的碼元信噪比，Gm為信道編碼增益，M為設(shè)定的最低鏈路余量。通過公式(3)可以計(jì)算出特定信道條件下的最大傳輸碼速率。

4 深空探測任務(wù)的數(shù)傳鏈路預(yù)算

建立深空航天器與地球的數(shù)據(jù)傳輸鏈路與目前我們所熟悉的中低軌道航天器數(shù)據(jù)傳輸鏈路有很大的不同，主要表現(xiàn)在巨大的時(shí)延及路徑損失，因此要同時(shí)對航天器的發(fā)射系統(tǒng)及地面接收系統(tǒng)進(jìn)行特殊的設(shè)計(jì)。按照航天器數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)配置的不同，將數(shù)據(jù)傳輸鏈路分析分為兩大類：第一種為除地球外的內(nèi)行星探測，主要探測目標(biāo)為水星、金星及火星，由于這些行星距離太陽較近，可以配置太陽能帆板，因此發(fā)射功率可以較大；第二種為外行星探測，主要目標(biāo)為木星、土星、天王星、海王星及包括冥王星在內(nèi)的柯伊伯帶(Kuiper belt)天體，這些天體距離太陽較遠(yuǎn)，航天器無法配置太陽能帆板，僅能采用輸出功率較小的同位素?zé)犭娫?RTG)，因此發(fā)射功率較小。兩類不同的探測任務(wù)導(dǎo)致了數(shù)據(jù)傳輸速率的較大差別。

4.1 內(nèi)行星探測任務(wù)

內(nèi)行星探測任務(wù)中，航天器可配置輸出功率較大的X頻段行波管放大器，其最大輸出功率可達(dá)100 W，配置3.5 m發(fā)射天線，其增益為42 dBi，發(fā)射機(jī)與天線近端配置后饋線損耗Ltc約為1 dB，由此計(jì)算出航天器的有效全向輻射功率Et為61 dBW。以火星探測為例，其距地球最近距離約為59.6×107km，距地球最遠(yuǎn)距離約為4.013×108km，計(jì)算出自由空間損耗的變化范圍為266.43～282.99 dB。

FAST作為地面接收天線，其有效口徑D=300 m，該主動(dòng)反射面由2 000多個(gè)對角徑為15 m的球形單元面板組成，最高工作頻率可達(dá)X頻段，反射效率可按Ruze公式估計(jì)，最高效率η為16.6%[4]，則地面天線的接收增益可按以下公式計(jì)算：

(4)

式中：f為載波頻率，取8 400 MHz。由此計(jì)算出地面天線的增益為80.63 dBi。對于地面接收系統(tǒng)的噪聲溫度，可由下式計(jì)算得出[5]：

TS=10lg(TA+(Lline-1)T0+LlineTR) 。

(5)

式中：TA為天線噪聲溫度；T0為環(huán)境溫度，這里取常溫290 K；Lline為地面的饋線損耗，取0.25 dB；TR為接收機(jī)的等效噪聲溫度，采用噪聲極低的受激輻射微波放大器，并將該低噪聲放大器隨同饋電系統(tǒng)浸入液氦中，這樣就可使接收系統(tǒng)的噪溫度降至6.5 K[6]。TA主要受環(huán)境因素影響，為了減少對射電天文觀測的電磁干擾，貴州省政府于2013年出臺法令，在FAST周圍設(shè)立了一個(gè)半徑為5 km的無線電靜默區(qū)，30 km內(nèi)不允許有干擾設(shè)施，因此天線噪聲溫度可低至10 K。由此計(jì)算出的地面接收系統(tǒng)噪聲溫度TS為15.32 dBK，進(jìn)而得到地面接收系統(tǒng)的G/T值為65.06 dBi/K。

一般情況下，若使地面接收的數(shù)據(jù)可用，誤碼率要求不高于1×10-6，圖2給出了QPSK相干解調(diào)的誤碼率曲線。根據(jù)該曲線可以得到，在誤碼率為1×10-6指標(biāo)下，要求進(jìn)入接收系統(tǒng)的碼元信噪比Eb/N0理論值為10.6 dB。信道編碼采用增益較高的LDPC編碼，最大的編碼增益Gm可達(dá)7 dB。

圖2 QPSK相干解調(diào)誤碼率曲線Fig.2 BER of QPSK coherent demodulation

綜合以上參數(shù)，對火星探測任務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸速率計(jì)算結(jié)果如表2～3所示。

表2 火星探測任務(wù)數(shù)傳碼速率分析(最近距離)Tab.2 Data transmission rate of Mars mission (nearest distance)

表3 火星探測任務(wù)數(shù)傳碼速率分析(最遠(yuǎn)距離)Tab.3 Data transmission rate of Mars mission (furthest distance)

由表2和表3可以得出，在火星距離地球最近時(shí)，其數(shù)據(jù)傳輸碼速率可達(dá)91.75 Mbit/s，在距離地球最遠(yuǎn)時(shí)(不考慮日凌影響，以下同)，其最高傳輸碼速率也可達(dá)到2.02 Mbit/s。對于金星及水星探測任務(wù)，其航天器設(shè)備方案基本相同，唯一區(qū)別僅為與地球的距離。表4給出了水星與金星的距離變化范圍。

表4 金星、水星與地球距離變化范圍[7]Tab.4 Range of distance between Venus,Mercury and Earth[7]

利用本文的鏈路分析方法，可得出在距離地球最近時(shí)，金星探測任務(wù)的最大碼速率為207.8 Mbit/s，水星探測任務(wù)最大碼率速率為31.88 Mbit/s；在距離地球最遠(yuǎn)時(shí)，金星探測任務(wù)最大碼速率為4.78 Mbit/s，水星探測任務(wù)最大碼速率為6.61 Mbit/s。

4.2 外行星探測任務(wù)

由于外行星距離太陽較遠(yuǎn)，太陽能帆板的發(fā)電效率很低，所以該類深空探測任務(wù)的航天器通常配置同位素?zé)犭姲l(fā)生器，航天器上的功率極大受限，因此不能采用高功率行波管放大器。在迄今為止的外行星探測任務(wù)中，Galileo、Ulysses及Cassini[8]探測任務(wù)使用的X頻段行放輸出功率為20 W，New Horizons探測任務(wù)使用的X頻段行放輸出功率為12 W，Juno[9]探測任務(wù)使用的行放輸出功率最高，可達(dá)25 W。因此，在鏈路預(yù)算過程中，選擇20 W發(fā)射功率。航天器其他的參數(shù)配置與內(nèi)行星探測基本相同。

對于空間傳輸部分，由于外行星及冥王星距離更遠(yuǎn)，所以其空間衰減更大。各大天體與地球距離變化范圍詳見表5。

表5 外行星及冥王星距離變化范圍[9]Tab.5 Distance range of outer planets and Pluto[9]

對于木星及土星探測，地面接收系統(tǒng)FAST的參數(shù)參照內(nèi)行星探測。對于天王星、海王星及冥王星探測，可采用(k,r)為(15,1/6)卷積碼和R-S碼級聯(lián)，編碼增益Gm可進(jìn)一步提高至10 dB。

表6 外行星及冥王星數(shù)據(jù)傳輸速率Tab.6 Data transmission rate of outer planet and Pluto

綜合以上對內(nèi)行星、外行星及柯伊伯帶天體探測任務(wù)的分析，可以得出FAST的深空數(shù)據(jù)傳輸速率變化范圍，如圖3所示。

圖3 FAST深空數(shù)據(jù)傳輸速率變化范圍Fig.3 Deep space transmission rate variation range of FAST

5 對現(xiàn)有深空網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸能力的提升

對于現(xiàn)有的深空網(wǎng)，其對數(shù)據(jù)傳輸能力支持能力較為有限，主要受制于較遠(yuǎn)的通信距離帶來的較大自由空間損耗。內(nèi)行星探測任務(wù)中，水星探測的數(shù)據(jù)傳輸碼速率約為180 kbit/s，金星探測的數(shù)據(jù)傳輸碼速率約為270 kbit/s，火星探測碼速率變化范圍為30～600 kbit/s。由第4節(jié)分析可知，F(xiàn)AST在水星探測任務(wù)中的平均碼速率約為19.2 Mbit/s，比現(xiàn)最高速率提高了106倍；在金星探測任務(wù)中的平均碼速率約為106 Mbit/s，比現(xiàn)最高速率提高了393倍；火星探測任務(wù)中，在距離地球最近時(shí)傳輸碼速率提高了152倍，距離地球最遠(yuǎn)時(shí)提高了70倍。

外行星探測任務(wù)中，任務(wù)期間普遍的數(shù)據(jù)傳輸速率變化范圍為6.358～2 000 bit/s。以New Horizon探測器為例，其在冥王星軌道處的數(shù)傳速率為20 bit/s，使用FAST可達(dá)到接近3 kbit/s，提高了約150倍；Juno在木星軌道附近的數(shù)據(jù)傳輸速率約為360 bit/s，使用FAST可達(dá)到近70 kbit/s，提高了約190倍。

由此可以看出，F(xiàn)AST能夠給深空探測任務(wù)數(shù)據(jù)傳輸碼速率帶來70～400倍的提升，極大地?cái)U(kuò)展了深空網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸能力。

6 結(jié)束語

FAST作為世界口徑最大的射電天文望遠(yuǎn)鏡，其在深空探測領(lǐng)域的應(yīng)用潛力非常巨大。通過本文的分析可以看出，F(xiàn)AST可以極大地提高深空探測器的數(shù)據(jù)下行傳輸碼速率。隨著本世紀(jì)太陽系行星探測特別是火星探測熱潮的到來，F(xiàn)AST在支撐數(shù)據(jù)傳輸速率擴(kuò)展方面將會(huì)發(fā)揮不可替代的作用。若將此天線同時(shí)建造為深空數(shù)據(jù)接收站，可對全球深空網(wǎng)有很好的提升作用。以往探測任務(wù)中僅能傳輸工程數(shù)據(jù)及少量圖片，應(yīng)用FAST后高清視頻及多媒體數(shù)據(jù)的傳輸將成為現(xiàn)實(shí)，人類對地外行星的了解將會(huì)更加深入。

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DeepSpaceDataTransmissionRateAnalysisofFive-hundred-meterApertureSphericalTelescope(FAST)

MAO Xinyan,ZHANG Zhiqiang

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)

Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope (FAST) is the largest and most sensitive radio astronomical telescope in the world. In order to analyze the data transmission support ability of FAST for deep space exploration mission,the data transmission link budget analysis method is adopted. In the provision of specific engineering allowance,the downlink transmission rate of FAST for inner planet,outer planet and Kuiper belt objects exploration mission is calculated. The result shows that,the telescope which is equivalent to a 300-metre aperture receiving antenna will increase the deep space downlink data transmission rate by 70～400 times. In the future it will strongly support China′s Mars and Jupiter exploration mission.

five-hundred-meter aperture spherical telescope (FAST);data transmission rate;link analysis;deep space exploration

10.3969/j.issn.1001-893x.2017.12.006

毛新顏，張志強(qiáng).FAST深空數(shù)據(jù)傳輸速率分析[J].電訊技術(shù)，2017,57(12):1383-1387.[MAO Xinyan,ZHANG Zhiqiang.Deep space data transmission rate analysis of five-hundred-meter aperture spherical telescope (FAST)[J].Telecommunication Engineering,2017,57(12):1383-1387.]

2017-03-03；

2017-07-11

date:2017-03-03；Revised date：2017-07-11

xymail01@163.comCorrespondingauthorxymail01@163.com

TN927

A

1001-893X(2017)12-1383-05

毛新顏(1986—)，男，遼寧阜新人， 2010年于英國帝國理工學(xué)院獲通信與信號處理專業(yè)碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師,主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星測控與數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)；

Email:xymail01@163.com

張志強(qiáng)(1978—)，男，遼寧遼陽人，碩士，高級工程師，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星測控與數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、航天器總體設(shè)計(jì)。