基于星星双中继的国际月球科研站的全时无缝通信
doi: 10.11728/cjss2024.03.2023-0129 cstr: 32142.14.cjss2024.03.2023-0129
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王振河 男, 1970年9月出生于河南省郑州市, 现为北京遥测技术研究所高级工程师, 主要研究方向为航天测控、卫星通信、空间信息网络技术等. E-mail: 13671039594@163.com
作者简介:
International Lunar Research Station Communication Based on Satellite Double Relay
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摘要: 2021年中国提出与相关国家、国际组织和国际合作伙伴共同开展国际月球科研站建设的建议, 引起多方广泛关注, 国际月球科研站工程建设按计划顺利推进. 国际月球科研站建设完成后, 与中国地面控制中心间保持全时无缝通信将是重要需求. 中国地面深空测控网设立的国外站, 长期来看可能存在一定风险, 例如降低中国地面深空测控网的可用性, 影响国际月球科研站与地面控制中心间的全时通信. 为此, 根据中国对月探测现状, 借鉴天链中继卫星系统的设计、建设、应用、发展实际, 提出一个“鹊桥–天链”星星双中继通信设想. 从几何可见性角度进行多种条件的覆盖仿真分析, 并从传输体制、链路设计、系统组成、捕获跟踪、工作流程、整体定位等多方面进行研究分析, 初步完成了基于星星双中继的国际月球科研站全时无缝通信研究. 在地面控制中心统一控制下, 通过地面深空测控网、星星双中继的综合利用, 国际月球科研站与地面控制中心间的全时无缝通信将具备完全实现的技术基础. 此外, 该设想也可为地月空间、行星际探测的其他航天器通信提供借鉴, 并可进一步促进中国地基测控网、天基测控网和深空测控网的融合发展.Abstract: In 2021, China proposed the collaborative construction of the International Lunar Research Station with relevant countries, international organizations, and partners, which attracted wide attention from many parties, and the construction of the International Lunar Research Station project proceeded smoothly as planned. Upon completion, maintaining seamless communication with the ground control center will be crucial. However, foreign stations in China’s ground deep space TT&C network may pose long-term risks such as reducing availability and affecting full-time communication between the lunar research station and the ground control center. To address this, a concept of Queqiao-TL satellite double relay communication is proposed based on China’s lunar exploration status present and actual design of the TL relay satellite system. This idea has undergone coverage simulation analysis under various conditions from geometric visibility perspective and studied transmission systems, link designs, system composition, capture/tracking workflows for initial completion of full-time seamless communication research for the International Lunar Research Station using the satellite double relay technology. Under unified control of the ground control center, this approach provides a technical basis for achieving full-time seamless communication through comprehensive utilization of both ground deep space TT&C network and the satellite double relay technology. Furthermore, this concept can serve as a reference for spacecraft communications in Earth-Moon space and interplanetary exploration while promoting integration among China’s ground-based, space-based and deep space TT&C network.
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图 3 当前天链星覆盖仿真
Figure 3. Coverage simulation of TL relay satellites at current orbit position
图 4 当前天链星覆盖效果仿真
Figure 4. Simulation of coverage effect of TL relay satellites at current orbit position
图 5 加装天地载荷的天链星覆盖仿真
Figure 5. Coverage simulation of TL relay satellites with sky&Earth payloads
图 6 加装天地载荷的天链星覆盖效果仿真
Figure 6. Simulation of coverage effect of TL relay satellites with sky&Earth payloads
图 7 加装天地载荷的四节点天链星覆盖仿真
Figure 7. Coverage simulation of 4-node TL relay satellites with sky&Earth payloads
图 8 加装天地载荷的四节点天链星覆盖效果仿真
Figure 8. Simulation of coverage effect of 4-node TL relay satellites with sky&Earth payloads
图 9 四节点天链星对天天线覆盖仿真
Figure 9. Coverage simulation of 4-node TL relay satellites with sky payloads
图 10 四节点天链星对天天线覆盖效果仿真
Figure 10. Simulation of coverage effect of 4-node TL relay satellites with sky payloads
图 11 国际月球科研站通信链路
Figure 11. Communication links of international lunar research station
表 1 天链星覆盖月球中继卫星仿真情况
Table 1. Simulation of TL relay satellites covering on lunar relay satellites
天链星 当前在轨 加装对天载荷(三节点) 加装对天载荷(四节点) 星间天线 对地 对地+对天 仅对天 仅对天 假定天线转动范围 ±45°圆锥角 ±45°, ±60°圆
锥角±60°圆锥角 ±60°圆锥角 覆盖率 75% 100% 80% 100% 扩大天线转动范围时的覆盖率 根据实际情况确定 100%, 重叠段
增加优于80%, 小于100% 100%, 重叠段增加, 第四节点天链星轨位选择更灵活 应用效果分析 需大量挤占服务于中低轨航天器的天链星系统资源 需大量挤占服务于中低轨航天器的天链星系统资源 性能居中 对天载荷服务深空航天器、对地载荷服务地球中低轨航天器, 均100%覆盖
星间链路天地分开; 同时发挥天链星节点作用, 准实时实现地基、近地、深空目标间的信息传递与交换
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表 2 星星双中继间星间微波链路预算
Table 2. Estimating of inter-satellite microwave link in satellite double relay
天链星 发信息 (10 Mbit⋅s–1) 收信息 (10 Mbit⋅s–1) 调制方式 UQPSK UQPSK 编码方式 LDPC1/2 LDPC1/2 星间距离/km 450000 450000 工作频率/GHz Ka频段 Ka频段 信息速率/(Mbit⋅s–1) 10.0 10.0 EIRP/dBW 70.0 60.0 空间损耗/dB 232.7 233.8 其他损耗/dB 2.5 2.5 总传播损耗L/dB 235.2 236.3 Gr/Tr /(dB⋅K–1) 15.0 27.0 接收(Eb/N0)/dB 8.4 9.3 理论解调门限/dB 3.0 3.0 设计解调门限/dB 4.3 4.3 设计余量/dB 4.1 5.0
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表 3 两种系统性能比较(三节点天链星系统)
Table 3. Comparison of performance between two systems (3 nodes TL relay satellite system)
项目 地面深空测控网 星星双中继 两系统合作融合 系统实力 国内深空站+国外阿根廷深空站 改造后的月球中继卫星、天链星(包含三个节点) 国内外深空站、星星双中继、天链地面运控系统, 由国内控制中心统一调配 可靠性 国内站可靠性高, 国外站弱, 整体可靠性较弱 中国空间设施, 由国内地面测控中心统一控制, 可靠性高 可靠性高 实时性 国内站实时性强, 国外站信息需通过卫通、跨洋通信传回国内, 较弱 中国空间设施, 由国内中心统一掌控, 实时性强 实时性强 覆盖率 约90%覆盖月球中继卫星 天链星的对天、对地天线配合, 可基本全覆盖月球中继卫星
仅有天链星的对天天线, 对月球中继卫星的覆盖率超过80%; 天线转动范围增加时, 覆盖率增加
天链星对天天线的转动范围大到一定
程度时, 中节点天链星的覆盖率贡献可以
忽略具备全覆盖月球中继卫星的能力 数传能力 地面站天线口径大, 数传速率可达数百Mbit⋅s–1 星载天线口径小, 数传速率可达
10 Mbit⋅s–1高低数传速率按需传输, 更好地满足各类用户需求 同时服务能力 基本一天线跟踪一目标. 同时服务用户数较少 一颗天链星含对天、对地至少两副天线, 跟踪多目标的能力优于深空站. 同时服务用户数较多 两系统结合, 同时服务深空用户数多 系统融合 无 可进一步促进中国地基测控网、天基测控网和深空测控网的融合创新 性价比 新建深空站耗资大, 功能相对单一, 性价比较弱 后续天链、鹊桥中继卫星载荷一体化改造, 系统综合利用, 性价比高 性价比高
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表 4 两种系统性能比较(四节点天链星系统)
Table 4. Comparison of performance between two systems (4 nodes TL relay satellite system)
项目 地面深空测控网 星星双中继 两系统合作融合 实力 国内深空站+阿根廷深空站 改造后的月球中继卫星、天链星(包含4个节点) 国内外深空站、星星双中继、天链地面运控系统, 由国内控制中心统一调配 可靠性 国内站可靠性高, 国外站弱, 整体可靠性较弱 中国空间设施, 由国内地面测控中心统一控制, 可靠性高 可靠性高 实时性 国内站实时性强, 国外站信息需通过卫通、跨洋通信传回国内, 实时性较弱 中国空间设施, 由国内中心统一掌控, 实时性强 实时性强 覆盖率 约90%覆盖月球中继卫星 天链星的对天、对地天线配合, 可全覆盖月球中继卫星
仅有天链星对天天线, 可全覆盖月球中继卫星
天链星对天天线的转动范围大到一定
程度时, 中节点天链星的覆盖率贡献可以忽略
天链星功能界面更清晰. 通常, 对天天
线执行深空任务, 对地天线执行天基测控任务具备全覆盖月球中继卫星的能力 数传能力 地面站天线口径大, 数传速率可达数百Mbit⋅s–1 星载天线口径小, 数传速率可达
10 Mbit⋅s–1高低数传速率按需传输, 更好地满足各类用户需求 同时服务能力 基本一天线跟踪一目标. 同时服务用户数较少 一颗天链星含对天、对地至少两副天线, 跟踪多目标的能力优于深空站. 同时服务用户数较多 两系统结合, 同时服务深空用户数多 系统融合 无 可进一步促进中国地基测控网、天基测控网和深空测控网的融合创新 性价比 新建深空站耗资大, 功能相对单一, 性价比较弱 后续天链、鹊桥中继卫星载荷一体化改造, 系统综合利用, 性价比高 性价比高
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