深空網

深空探測的難點是遙遠距離的測控通信。由於深空探測器升空後與地球之間的聯繫就是深空測控通信系統，因此該系統在深空探測中起着非常重要的作用，負責科學數據和遙感數據的傳送，對深空探測器進行跟蹤並指揮其執行重要任務。

美國DSN建於1958年。5年來，DSN已發生了很大的變化，不僅擴展了規模，更重要的是在技術和性能上有了極大的提高，遙測接收能力從開始的8bit/s增加到幾十甚至幾百兆比特每秒。其首要任務是儘可能多地接收探測器發回的數據，因此需要在任何時期都儘可能採用最先進的技術，以不斷提高通信鏈路的性能。其中，提高頻率、增強航天器發射機的功率及採用更大直徑的天線是最直接的方法，此外還包括採用低噪聲接收機、提高天線效率、改進編碼技術、改進調製和檢測系統。目前，DSN還利用天線組陣技術來提高接收遠距離探測器信號的能力。

DSN由位於美國加利福尼亞的戈爾德斯敦、澳大利亞堪培拉和西班牙馬德里的3個地面終端設施組成，相互之間經度相隔約120度，這樣可以在深空探測器的跟蹤、測量中提供連續觀測和適當的重疊弧段。每個地面終端設施至少包含4個DSS，並且每個DSS都配有高靈敏度的接收系統、大功率發射機、信號處理中心和通信網絡系統等。它具體包括：一副直徑為3m的高效天線；一副直徑為3m的波束波導天線（在戈爾德斯敦有3副）；一個由4副直徑為1m天線組成的天線陣；一副直徑為7m的天線。利用天線組陣技術可以接收更多來自深空探測器的數據，7m直徑天線和3m直徑天線組陣可使數據接收能力提高2%以上。

DSN的70m天線子網包含3副70m直徑天線，它們分別位於加利福尼亞戈爾德斯敦的DSS一14，澳大利亞堪培拉附近的DSS一43，西班牙馬德里附近的DSS一63。所有天線都具有L、S和X頻段的接收能力以及S、X頻段的發射能力。DSS一14還擁有一個金石太陽系統雷達（GSSR），它不僅可以工作在正常的接收頻段上，還可以作為Ka頻段（22GHz）接收饋源，用來進行射電天文觀測。

DSN的34m天線子網包含3副34m直徑的高效天線，它們分別位於加利福尼亞戈爾德斯敦的DSS一15，澳大利亞堪培拉附近的DSS一45，西班牙馬德里附近的DSS一65。除了跟蹤測量探測器，34m天線子網還能用於甚長基線干涉測量（VLBI和射電源觀測。）

20世紀90年代中期，美國為DSN建造了新的34m直徑波束波導天線。該天線採用一系列微波反射面，從發射器表面將能量引導到主結構下受控的一個焦點上。天線在原理上沒有新發展，只是使用成型的主反射器和副反射器來增加孔徑效率，不過採用新結構和材料使G/T值更加優化了。而且，調節反射器的精度能使其工作在Ka頻段。這一天線的電子設備均置於地下室中，高頻前端設備可放在地面之上，底座中的旋轉橢圓反射面可使微波能量對準幾個前端設備中的一個，這樣，DSN可以輕易地擴展到更高的頻率，而不會增加傳統天線中已不堪重負的卡塞格倫聚焦區的能量。

所有的DSS都是由各自深空設施的信號處理中心遠程控制。該中心通過電子系統控制天線指向，接收並處理遙測數據，傳輸指令和生成航天器導航數據。所有數據在各自的深空設施經過處理後，被傳送到JPL進行進一步處理，然後通過現代地面通信網絡發送給各個科研團隊。

以DSN現在的體系結構，使用大直徑天線已不能有效滿足美國航空航天局（NASA）未來任務需求（靈敏度和導航），而且其維護和運行費用過於昂貴，因此可使用可靠性和性價比高、規模可變的小直徑天線組成的天線陣來滿足增長的需求。天線陣可以同時服務於幾個任務，提供滿足每一項任務要求的天線直徑。進一步來説，這些小天線相對於大天線來説擁有顯著的商業化支持並擁有較長的生命週期。12m天線陣的設計至少包含400副天線，相當於提供等效直徑為240m的大天線或者在X頻段上比7m直徑天線能力提高120倍。子天線陣可以為幾個探測器提供理想的直徑。在太空中不同地方的多個航天器或者太空中相距近的1個探測器都能夠利用天線陣的高靈敏度。DSS採用由4副12m直徑天線組成的單收（無上行）陣來支持計劃於2008年10月發射的機器人月球探測計劃（RLEP）的首個任務—“月球勘測軌道器”（LRO）。在“誰使用誰投資”的思想指導下，天線陣會不斷增大以滿足需要，預計2020年將會實現由40副天線組陣。

2005年以來，DSN最主要的變化在於26m天線子網的退役和12m天線陣安裝的開始。2005一2030年，根據深空任務下行數據的傳輸要求，預計傳輸速率增長到10e6量級。為了滿足這種快速增長的需求，必須採用一系列測量方法和新的技術手段。

面臨未來深空任務的挑戰，新一代的DSN建設分為兩大部分：一是建設深空主幹網，包括現有DSN全面升級至Ka頻段，佈設由數百副天線組成的天線陣，開展光通信技術研究，開發高效率深空通信設備和建設月球、火星衞星通信網絡等；二是研發與這個主幹網相配套的工具和技術，包括提供多任務運行控制的操作系統、軟件和標準，創新的任務操作概念和更高級的深空任務設計、導航技術和用户工具等。通過二者的結合，最終建設一個行星際的網絡。其具體的安排是：在：在2010年實現大於40Mbit/s的高速數據傳輸，開展光通信演示驗證；利用天線陣支持美國2018年重返月球的計劃；應用光通信技術，實現2020年行星自動探測器1000Mbit/s的高速數據傳輸，並在增強光通信性能後支持2030年載人火星探測計劃。

為了滿足NASA及其他航天局任務迅速增加的需要，JPL制定了一系列發展計劃，其重點放在優化結構，以及在預算不斷削減的情況下降低操作維護費用、提高服務能力。目前，JPL正在實施下述4項主要計劃。

DSN中的TT&C設備正在進行大範圍的升級和技術改造，以提高系統性能，並實現數據存取和交互支持的接口標準化。儘管未來DSN的發展主要依賴新的技術、方法，但仍要立足於現有DSN並充分利用其能力。

首先，延長70m直徑天線的壽命。70m直徑天線是從64m直徑天線擴展而來的，其關鍵結構部件的承重增加了38%。目前，它已服役30多年，比正常的設計壽命多出了近20年，設計利用率為25%，但實際達到了8%。為了提高DSN的能力，並對70m直徑天線提供備份，計劃在每個DSS建造4個由34m直徑波束波導天線組成的天線陣，共包括12副天線，以提供70m等效直徑及性能。但截至2005年，只建造了6副這樣的天線，其中戈爾德斯敦3副，馬德里2副，堪培拉1副。JPL的專家建議在堪培拉再建造1副34m直徑波束波導天線，使每個站至少擁有2副這樣的天線，以互相提供Ka頻段的備份能力。

其次，高速數據傳輸的需求驅使DSN實施Ka頻段改造計劃。改造34m和70m直徑天線，使其具備Ka頻段遙測下行鏈路能力，這樣在不建造新天線的情況下可使下行鏈路能力在原有基礎上增加4倍。

為滿足未來數傳速率不斷增加的要求，一個方案是建造34m或70m直徑天線，一種更經濟的方案是利用大量小直徑（10米級）天線組陣。利用後一種方案可以將DSN下行鏈路能力提高2~3個數量級，從而大大提高深空任務返回的科學數據量；可以接收更加微弱的信號，從而降低航天器上通信系統的質量和功率；將單位數據的成本降低2個數量級；與太陽系以外的航天器也可以進行高速數據通信。

NASA計劃在南半球和北半球的2個或3個不同經度位置上佈設甚大規模天線陣。每個天線陣由數千副天線組成，設置地點要避免潮濕多雨的氣候對Ka頻段造成的大氣傳播損耗，同時要提供很長的、相互垂直的基線以產生差分單向測距數據。

該甚大規模天線陣計劃的具體目標是：到2008年，使天線陣的直徑等效於2.8副70m直徑天線；到2020年，以負擔得起的投人將DSN的信號接收能力提高100一500倍。

能將數據傳輸速率提高几個數量級的另一種方法是採用光通信。在光通信中，信息通過激光和望遠鏡傳輸，性能更高，而且能使航天器上的通信設備更輕巧。

光學空一地鏈路的地球端有地基和天基兩種實現方案，但目前更傾向於前者。在地基方案中，採用幾個10m直徑的望遠鏡接收深空信號。而且，對光通信望遠鏡的性能要求遠比成像望遠鏡的低，因此成本也低得多。由於採用帶脈衝編碼調製的直接探測方法，因此只需要確定光子的到達時間。

在地基方案中，望遠鏡的部署方法有兩種。第一種稱作“線性分散光學子網”（LDOS），即沿地球一週等間距佈設6~8個光學望遠鏡，這就需要NASA建立新的測站和基礎設施。第二種方法稱作“集羣配置光學子網”（CDOS），在每個站上佈設3個10m直徑光學望遠鏡，全球共9個。

天基方案是在中、高地球軌道上部署光學望遠鏡。由於空間減少了3dB的大氣信號衰減，因此光學望遠鏡的直徑減至7m左右。但天基站的成本是地基站的8倍，而且只能同時支持一個目標。

目前，光通信方案還處在概念研究階段。JPL已建立了光學通信技術實驗室，並研發出了1m直徑光學望遠鏡樣機進行試驗。從長遠來看，JPL將在大多數深空任務中採用光通信，以支持無法用射頻通信滿足的高速數據傳輸任務。

NASA的火星童子軍計劃（MSP）正在開發由火星軌道上的通信及導航衞星星座組成的火星網，用來支持未來火星探測中的通信和導航需要。該網絡由低成本小衞星及火星中繼衞星組成，也是星際因特網最先實現的部分。作為DSN的擴展，該網絡必須能夠支持各種不同的用户，包括已規劃的任務和尚未出現的任務概念。火星網對用户的支持必須是高效的、大量自主的，以滿足用户數量不斷增加的需要。該網本身的操作也是以一種高效、自主的方式進行。

NASA於2006年3月取消了建造“火星通信軌道器”（MTO）的計劃，這一火星的通信衞星原定繞火星軌道飛行，並可作為未來飛行任務的中繼站。它原計劃安裝專門用於遠程通信的激光裝置，並且將把火地之間的數據傳輸速率提高1倍。MTO計劃使用紅外激光取代目前使用的無線電波，以極大增強從火星軌道向地球的數據傳輸能力，其通信速率可達1~3Mbit/s。

測控通信技術還在不斷向前發展，它的一個重要方向就是走向深空。在測控領域內，深空測控技術一直處於技術發展的最前沿，牽引着測控通信技術的發展。我國探月工程的啓動是深空探索的第一步，標誌着我國深空探測的開始。隨着我國經濟和科技實力的不斷增強，進一步開展深空探測，開展對火星、小行星和其他太陽系內行星的探測，將成為我國未來深空探測的目標。儘早建成我國的深空測控通信系統，還需要對一系列國內尚未突破的關鍵技術進行科研攻關，並開展一定的國際技術合作，使其在技術性能上基本達到國際水平，實現與國際聯網。