在月球?qū)崿F(xiàn)無線通信覆蓋以及便利月球與地球之間的通信
Argotec公司和噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室中繼衛(wèi)星可為90多項(xiàng)任務(wù)給予帶寬。
自阿波羅時代以來，月球前所未有地成為許多任務(wù)的目標(biāo)，太空組織和商業(yè)實(shí)體都將目光投向了月球。例如，美國國家航空航天局（NASA）制定了利用機(jī)器人訪問月球和載人登月的多項(xiàng)任務(wù)，還考慮在未來10年里聯(lián)合國際合作者建立一個小型月球軌道前哨基地。該基地稱為月球空間站，將用于儲存物資、接待拜訪的宇航員，以及便利月球與地球之間的通信。
團(tuán)隊(duì)所提出的LCRT望遠(yuǎn)鏡可將月球背面的隕石坑轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€巨大碟形天線，以此觀察早期宇宙。由此積累的大量數(shù)據(jù)將被發(fā)送至地球進(jìn)行分析。
圖片:VLADIMIRVUSTYANSKY/噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室/美國國家航空航天局
到2030年前，共有90多項(xiàng)月球任務(wù)，月球空間站可能是其中最宏大的一個。當(dāng)然，并非所有計劃任務(wù)都會實(shí)現(xiàn)，但許多任務(wù)（即使不是大多數(shù)）都將以某種形式展開。這僅僅是個開始： ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 預(yù)計，人類對月球的興趣將不斷增加，最終人類將在月球表面永久駐扎。
如果這種情況成為現(xiàn)實(shí)，月球的居民將需要與地球保持通信。盡管阿波羅任務(wù)時期使用了無線電直接與地球通信，但這不適用所有情況。例如，月球背面及其兩極的大部分區(qū)域均無法直接看見地球。即使在朝向地球的一面，通信也會受到山丘和隕坑壁的阻礙。
實(shí)際上，跨越數(shù)十萬公里空間進(jìn)行直接通信需要一個具有大型天線或者高功率放大器（或兩者兼有）的強(qiáng)大通信終端。但現(xiàn)在的小型機(jī)器人無法為這些大型系統(tǒng)給予空間或電源。連接月球的一個更佳方案是建立環(huán)繞月球軌道的中繼航天器網(wǎng)絡(luò)，給予無處不在的陸續(xù)在覆蓋。
意大利航空航天公司Argotec和美國國家航空航天局的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室正在合作研發(fā)仙女座星座軌道中繼衛(wèi)星概念。Argotec正在開發(fā)航天器概念，本文作者之一巴洛西諾（Balossino）是該公司的研發(fā)部負(fù)責(zé)人；噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室正在給予無線電和天線等子系統(tǒng)，本文作者之一達(dá)瓦里安（Davarian）是該公司的項(xiàng)目經(jīng)理。該方案包括24顆中繼衛(wèi)星，它們組成的星座將利用4個軌道（每個軌道6顆衛(wèi)星）。這種配置可向兩極區(qū)域給予陸續(xù)在覆蓋，在其他任何地方給予近乎不間斷的陸續(xù)在覆蓋，只偶爾出現(xiàn)微小間斷。利用該中繼系統(tǒng)，在月球表面任何地方執(zhí)行任務(wù)時都可與地球保持可靠、不間斷的聯(lián)系。
所提出的仙女座衛(wèi)星星座由24顆衛(wèi)星組成，平均分布在4個不同的軌道上，以便最大限度地覆蓋月球表面。每顆衛(wèi)星有3個不同的天線來建立與地球和月球表面的通信。收起時，整個衛(wèi)星尺寸為44厘米 x40厘米x 37厘米
在繞月軌道上放置中繼衛(wèi)星存在一定的挑戰(zhàn)。第一時間， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 希望使用穩(wěn)定軌道，即衛(wèi)星不需要或很少需要操控；第二，所選軌道必須對人類或機(jī)器人可能有重要活動的“熱點(diǎn)”區(qū)域具有陸續(xù)在或近乎陸續(xù)在的物理視線；第三，在保證月球熱點(diǎn)區(qū)域高可見度的同時， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 不想放棄與月表其他任何部分的連接。
月球南極有可能成為一個熱點(diǎn)區(qū)域，因?yàn)殡E石坑內(nèi)有冰（至少在某種程度上）。對于持續(xù)時間更長的載人任務(wù)來說，從月球（而不是地球）取得人類所需的水資源可能會更加容易。此外，水還可以順利獲得電解為火箭給予氫燃料。另一個潛在熱點(diǎn)區(qū)域是月球背面的赤道區(qū)，將來有一天可能會在那里安裝大型射電望遠(yuǎn)鏡。
除通信外，宇航員、月球車和科學(xué)儀器都需要知道其在月球表面所處的位置。中繼衛(wèi)星可作為一種“月球GPS”，順利獲得計算多顆衛(wèi)星之間的信號到達(dá)月球表面某一點(diǎn)所需的時間來進(jìn)行導(dǎo)航。一般而言，中繼衛(wèi)星和軌道越多越好。相應(yīng)的代價是發(fā)射和運(yùn)行每一顆衛(wèi)星都要花費(fèi)大量金錢。因此，中繼衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)要以最少數(shù)量的衛(wèi)星給予盡可能好的服務(wù)和覆蓋。
Argotec中繼網(wǎng)絡(luò)概念使用的一類穩(wěn)定軌道，被稱為凍結(jié)軌道。穩(wěn)定的軌道可以使衛(wèi)星更容易地在指定軌道上維持5年乃至更長的運(yùn)行時間。建議軌道為橢圓形，運(yùn)行周期為12小時，傾角為57度，與月球表面距離的最近點(diǎn)為720公里，最遠(yuǎn)點(diǎn)（稱為遠(yuǎn)心點(diǎn)）為8090公里。
衛(wèi)星在其軌道的遠(yuǎn)心點(diǎn)移動最慢，在最近點(diǎn)移動最快。因此，為給予長時間通信， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 希望軌道的遠(yuǎn)心點(diǎn)大致位于潛在熱點(diǎn)區(qū)域上方。采用選定軌道，月球兩極在94%的時間里都同時有3顆衛(wèi)星覆蓋，并且在任何給定時間至少有1顆衛(wèi)星。同時，月球赤道上空在89%的時間至少有1顆衛(wèi)星，79%的時間同時有3顆衛(wèi)星覆蓋。
即使在遠(yuǎn)心點(diǎn)，中繼衛(wèi)星距離月球表面也不到1萬公里。相比之下，地球到月球的距離約為40萬公里。即使對于地球直接視線內(nèi)的用戶，上空的中繼衛(wèi)星也可將通信鏈路距離縮短為1/40。
縮短通信距離意味著月球表面的人或機(jī)器人在維持與地球間的低數(shù)據(jù)率鏈接時，無須使用大型的通信終端。有了中繼衛(wèi)星，利用一個小型通信終端即可將信號傳回地球。
此外，中繼衛(wèi)星還意味著位于月球表面不同位置的兩個人可相互通話，且沒有明顯延遲。如果沒有中繼衛(wèi)星，通話必須往返地球，大約需要3秒鐘?？梢韵胂笠幌码娫捬舆t3秒會多么難以接受，人們會很快意識到中繼衛(wèi)星對月球表面語音或視頻通信的重要性。
不同的任務(wù)具有不同的通信需求。簡單的文本或語音通信僅需要每秒幾千比特的帶寬，而高清視頻和射電望遠(yuǎn)鏡則需要每秒數(shù)兆比特?？紤]到計劃的月球任務(wù)數(shù)量，中繼衛(wèi)星需要同時處理多個通信。對于較低帶寬的應(yīng)用（如文本和語音），一顆衛(wèi)星可收集匯總和中繼轉(zhuǎn)發(fā)多個數(shù)據(jù)流。另一方面，單個射電望遠(yuǎn)鏡生成的高數(shù)據(jù)量就可能達(dá)到某個衛(wèi)星容量的極限。
美國國家航空航天局現(xiàn)在正在研究兩種可部署在月球背面的射電望遠(yuǎn)鏡。第一種為月球隕石坑射電望遠(yuǎn)鏡（LCRT），這是一款由噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室工程師提出的超長波射電望遠(yuǎn)鏡。LCRT將以低于30兆赫的頻率觀測宇宙，該頻率被地球電離層阻擋。機(jī)器人將在直徑4千米的隕石坑中間部署一個直徑1千米的金屬絲網(wǎng)，創(chuàng)建反射式射電望遠(yuǎn)鏡。LCRT將成為太陽系中最大的碟形射電望遠(yuǎn)鏡。
第二種建議的望遠(yuǎn)鏡用于對黑暗時代和系外行星進(jìn)行無線電科學(xué)調(diào)查的背面陣列。法賽德陣列（FARSIDE）是一個低射頻干涉陣列，順利獲得多個天線觀測遙遠(yuǎn)恒星和其他射電源。順利獲得關(guān)聯(lián)多項(xiàng)觀察結(jié)果，F(xiàn)ARSIDE可生成高分辨率源圖像并準(zhǔn)確地確定其位置。該系統(tǒng)將使用128個雙極化天線，這些天線部署在直徑約10千米的近乎圓形區(qū)域，并連接到中央處理和電源基站。此外，基站還可將所收集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街欣^軌道器（如 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 建議的仙女座星座）。
FARSIDE能夠每分鐘對整個天空進(jìn)行一次成像，頻率從100千赫到40兆赫，這意味著和LCRT一樣，F(xiàn)ARSIDE可延伸到比地面射電天文學(xué)可觀測范圍更低的頻段，頻段低兩個數(shù)量級。這兩種望遠(yuǎn)鏡都將產(chǎn)生大量需傳輸?shù)降厍虻臄?shù)據(jù)。
上圖:LCRT望遠(yuǎn)鏡可將月球背面的限石坑轉(zhuǎn)變?yōu)?公里長的碟形天線。下圖:擬建的FARSIDE望遠(yuǎn)鏡將在月球表面直徑10千米的區(qū)域使用單獨(dú)的天線創(chuàng)建一個大型干涉陣列。
中繼衛(wèi)星接收月球背面射電望遠(yuǎn)鏡或月球表面任何其他設(shè)備的數(shù)據(jù)后，需要將數(shù)據(jù)發(fā)送到地球。在地球上，需要具有足夠增益和靈敏度的大型天線，支持至少每秒100兆比特的鏈路。理想情況下，每個昂貴的地面天線都應(yīng)能夠同時接收來自多個中繼衛(wèi)星的信號，減少所需建造的天線數(shù)量。
NASA深空網(wǎng)絡(luò)（DSN）就是所需地面網(wǎng)絡(luò)類型的一個很好示例。DSN在全球范圍內(nèi)建造有3個天線復(fù)合基站，分別位于美國加州、澳大利亞和西班牙，每個站點(diǎn)都具有若干大型的高靈敏度天線。然而，DSN的設(shè)計旨在支持月球以外的深空探測任務(wù)，將其用于月球中繼系統(tǒng)可能有些大材小用。此外，許多當(dāng)前和計劃任務(wù)對DSN都有很高的需求。因此，盡管這可能是一個不錯的初步選擇，但從長遠(yuǎn)來看，租賃或建造商業(yè)地面站會更便宜、更有效。
一個月球中繼航天器要求僅為50或60千克，從衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)來看這屬于小型航天器。 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 開發(fā)了一個概念衛(wèi)星，當(dāng)太陽能電池板和天線收起時，其尺寸為44厘米×40厘米×37厘米，質(zhì)量（包括推進(jìn)劑）為55千克。該系統(tǒng)搭載噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的四信道無線通信設(shè)備，其中兩個信道運(yùn)行在K波段（約26千兆赫），還有兩個信道運(yùn)行在S波段（約2千兆赫）。一個K波段信道連接地球（衛(wèi)星到地球鏈路速率為100兆比特/秒，地球到衛(wèi)星鏈路速率為30兆比特/秒）；其他3個信道連接月球。S波段信道給予衛(wèi)星到月球表面的64千比特/秒連接，以及月球表面到衛(wèi)星的256千比特/秒連接。剩余K波段信道給予衛(wèi)星到月球的16兆比特/秒鏈路以及月球到衛(wèi)星的100兆比特/秒鏈路。
■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 的衛(wèi)星使用K波段進(jìn)行地球-衛(wèi)星連接，原因有二。第一時間，空間通信K波段的可用帶寬比其他波段的要多；其次，對于同樣尺寸的天線，K波段的天線增益更高。換句話說，K波段天線可以更有效地將所接收到的信號轉(zhuǎn)化為電功率。使用K波段的不利因素在于其天氣敏感性，例如，下雨很容易造成鏈路衰減。中繼衛(wèi)星需要額外的功率儲備來保持鏈路穩(wěn)定。
現(xiàn)在的通信衛(wèi)星設(shè)計有3個天線：一個可轉(zhuǎn)向的50厘米K波段天線，用于地球與衛(wèi)星的通信；一個固定K波段“超表面”天線，具有低剖面、低質(zhì)量，易于以低成本制造，并能耐受外層空間的惡劣環(huán)境；此外還有一個固定S波段天線陣列。 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 還在考慮一種X波段（大約7千兆赫）的小型天線，用于地球與衛(wèi)星的通信，增加額外的可靠性和冗余。這里X波段是很好的選擇，盡管數(shù)據(jù)速率較低，但與K波段相比，不易受雨水影響而衰減。
■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 現(xiàn)在正在完成航天器的設(shè)計。 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 打算盡可能使用市場有售的硬件來降低成本。然而， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 仍然需要改進(jìn)一些新技術(shù)，給予衛(wèi)星所需的性能，同時滿足質(zhì)量和功率的要求?？?D打印的超表面天線是噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室為小型衛(wèi)星應(yīng)用開發(fā)的新技術(shù)?？墒褂玫?厘米發(fā)射天線，在32千兆赫時測得的各向同性增益超過32分貝。 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 預(yù)計順利獲得最近的設(shè)計改進(jìn)可將增益提高到34分貝。 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 還在研究雙頻功能，使天線能夠同時發(fā)射和接收信號。
此外， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 希望使用更小、更輕便的軟件定義的宇宙空間轉(zhuǎn)發(fā)器無線通信設(shè)備（UST-Lite）。噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)完成了對UST-Lite原型機(jī)的初步熱測試，保證無線通信設(shè)備產(chǎn)生的熱量可以消散而不會影響性能。 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 進(jìn)行了附加測試，更好地描述原型機(jī)的接收閾值、誤碼率、發(fā)射波形等。 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 將繼續(xù)優(yōu)化接收器的參數(shù)，開發(fā)覆蓋K波段的新模塊。（現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)了S波段和X波段模塊。）
上圖:深空網(wǎng)絡(luò)由3個天線復(fù)合基站構(gòu)成，圖中的這一個位于澳大利亞堪培拉，與整個太陽系的航天器保持聯(lián)系仙女座星座需要一個類似裝置從月球返回數(shù)據(jù)。下圖:軟件定義的宇宙空間轉(zhuǎn)發(fā)器無線通信設(shè)備是更輕、更小的UST-Lite的基礎(chǔ)。噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)在正在對UST-Lite進(jìn)行測試，用于未來的航天器。
另外， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 正在著手解決網(wǎng)絡(luò)的軟件需求。例如，對于中繼衛(wèi)星和月球用戶之間S和K波段的通信，現(xiàn)在還沒有協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。為此， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 已經(jīng)開始與空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會合作，引入這樣一個標(biāo)準(zhǔn)。
可以這樣理解，月球通信設(shè)備的目標(biāo)是在整個月球打造類似5G的能力。這意味著要盡可能利用5G技術(shù)，例如在月球上安裝蜂窩基站，以對中繼裝置進(jìn)行補(bǔ)充。此方法可以將許多其他類型的設(shè)備連接到月球網(wǎng)絡(luò)，例如，低功率物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)和自動駕駛汽車。
■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 的通信網(wǎng)絡(luò)只是第一步。在更遠(yuǎn)的未來，人類在月球上將能夠隨意收發(fā)文本信息、撥打電話和傳輸數(shù)據(jù)。同樣，機(jī)器人和傳感器也會像地球上的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備一樣進(jìn)行無線連接。機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，傳感器可自動上傳測量數(shù)據(jù)。
這樣的月球通信愿景可能需要經(jīng)過幾代月球通信網(wǎng)絡(luò)才能實(shí)現(xiàn)。但 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 堅信，人類終有一天將在月球定居，在穩(wěn)健的無線環(huán)境中從事科學(xué)、技術(shù)和商業(yè)活動。
作者：Alessandro Balossino、Faramaz Davarian
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