日本深空探测与深空测控技术

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Abstract:The deep - space expIoration pIan,its impIementation and TTSC technoIogies in Japan are reviewed with emphasis on the composition of Japan’s ISAS deep - space TTSC network,the eguipment of ground tracking and controI faciIities,the TTSC technoIogies and deveIoping IeveI . Key words:Deep - space expIoration;PIan;Deep - space TTSC network;TTSC technoIogy;LeveI;Review
1. ISAS 的深空 TT&C 网组成 ISAS 的深空 TT&C 网是专用于跟踪和控制科学 卫星和深空探测器的。该网由鹿儿岛站、臼田站,和 相模原控制中心构成。 (1)鹿儿岛站(KSC) 负责科学卫星和深空探测器发射前的检查、火 箭发射时的跟踪,以及科学卫星和探测器在轨的跟 踪(仅近距离时)。 (2)臼田深空站(UOSC) 负责科学卫星和探测器发射后的在轨跟踪。 (3)相模原控制中心(SSOC) 主要 负 责 从 科 学 卫 星、深 空 探 测 器 发 射,到 卫 星、探测器在轨时各种数据的收集管理,以及卫星、 探测器的调整与跟踪测控。 2. 深空站站址选择考虑 深空 探 测 器 的 TT&C 站 与 一 般 地 球 卫 星 的 TT&C 站不同,它要解决超远距离的跟踪与控制,解 决超远距离电波传播时间长的问题。因此,深空探 测 TT&C 站应当选择在低环境噪声(可提高深空站 接收微弱深空探测器回传信号的灵敏度)、降雨量相 对较少(有利于电波传输)、高海拔(减少 Ka 波段大 气损耗),以及地理位置适中的地方。ISAS 综合考虑 了上述建站条件,于 1984 年 10 月在位于北纬 36 7', 东经 138 21',海 拔 1 456 m 的 日 本 长 野 县 的 臼 田 (USUDA)建成一座深空站。
干涉测量
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2003 年第 3 期
专题评述
SUMMARIZATION
三、深空探测测控网与测控技术
人类 要 进 行 深 空 探 测,必 须 建 设 深 空 探 测 测 控 (TT&C)网站,它是人类与深空探测器联系的通道和纽带,
在深空探测任务中起着十分关键的作用。目前,国际上 建有深空 TT&C 站的国家有美国、俄罗斯、日本和德国。
表 2 鹿儿岛站 TT&C 系统综合性能一览表
项目
主要性能
发射频率范围
S 波段:2 025 ~ 2 120 MHZ
接收频率范围
S 波段:2 200 ~ 2 300 MHZ
X 波段:8 400 ~ 8 500 MHZ
天线
AZ - EL 天线架,20 m!
发射 EIRP
S 波 段:121 . 2 dBm(/ 2 . 12 GHZ 时)
一、引 言
深空探测是指脱离地球引力场,进入太阳系空 间和宇宙空间的探测。它是在卫星应用、载人航天 和空间站取得重大成就的基础上,向更广阔的太阳 系空间和宇宙空间进军的探索。
深空探测通常包括 3 个不同的阶段,即搜索、勘 探和深入研究。
当前深空探测的目的是进一步深入认识太阳系 各类天体,探讨太阳系的起源与演化,而探测的重点 为月球与火星。对巨行星的卫星、小行星与慧星的 探测侧重水体与生命活动信息,探讨太阳系生命活 动的起源与演化。因此,深空探测的总体目标大致 可归纳为以下 5 个方面:
(1)探索太阳系和宇宙(包括生命)的起源与演 化;
(2)开发和利用空间资源(空间环境、能源和资 源);
(3)发展空间技术,推进科学技术的进步; (4)扩展人类的生存空间; (5)为人类社会长期的可持续发展服务。
二、日本月球探测计划与实施情况
月球是人类开展深空探测的首先目标。它具有 可供人类开发和利用的各种资源、能源和特殊环境, 是诸多基础学科观测和研究的基地,是研制和生产 特殊材料与生物制品的理想场所,也是人类向外层 空间发展的理想基地和前哨站。21 世纪月球探测 的战略目标是建设月球基地,开发和利用月球的资 源和能源及特殊环境,为人类社会的可持续发展服 务。
l)工作过程 臼田深 空 站 的 主 要 工 作 过 程 采 用 自 动 工 作 方 式。全站的工作、操作由位于相模原市 ISAS 总部的 飞行器控制中心完成,臼田站的人员主要完成设备 的维护、检测和故障检测,保证该站的 TT&C 设备正 常工作。该站的工作过程如下: ①ISAS 控制中心向臼田站的天线发出天线预置 指令,控制天线指向深空探测器出现的方向; ②天线接收到深空探测器的 S、X 波段返向信号 后,经低噪声放大,由光缆送至机房; ③解调后由通信线路送至 ISAS 控制中心; ④从返向信号中解调出天线指向偏差,送往中 心; ⑤控制中心在天线指向偏差中加上地球转动补 偿量后由通信线路送至深空站机房,控制天线调整 指向; ③控制中心将前向测控信号由通信线路送至深 空站,经天线用 S 波段发往深空探测器。 臼田站与深空探测器之间的通信,使用了美国 航空航天局(NASA)提供的 S 波段线路,还可接收美 国 NASAICE 卫星的信号,每天可以跟踪 3 颗卫星,期 待将来与国际联网。 2)64 m 天线站 臼田深空站建有一个 64 m S、X 双频段天线,主 要用于深空任务的 TT&C 操作,探测器获取的探测 数据的接收,还可用于 C、Ka 波段的射电天文观测。 ① 组成 64 m 天线系统主要由直径 64 m 的天线主反射 面、副发射 面、馈 源 组 件、伺 服 驱 动 机 构、光 学 测 角 仪、S / X 波 段 低 噪 声 放 大 器、S / X 波 段 高 功 率 放 大 器、结构支撑组件和 C、Ka 波段射电天文接收部件等 ·4·
深度 5 km,分辨率 100 m 高度分辨率 5 m 空间分辨率 800 m 0 . 5 nT
研究月球表面结构
研究月球表面结构
磁场测量,研究月球表面环境 探测等离子体,研究月球表面环境 测量高能粒子,研究月球表面环境
研究月球表面环境 研究月球稀薄的电离层 研究月球向地球面的引力场,
干涉测量 研究月球向地球面的引力场,
日本的航天活动都在其空间活动委员会(SAC, 1968 年 成 立)管 理 和 领 导 之 下。宇 宙 开 发 事 业 团 (NASDA,建于 1969 年)是日本航天活动的主要组织 和实施机构,负责发展运载火箭和应用卫星。宇宙 科学研究 所( ISAS)是 一 个 小 规 模 的 航 天 组 织 机 构, 它是由原东京大学宇航科学研究所重建而成的,负 责科学实验卫星和深空探测器的发射,并执行深空 探测任务。NASDA 和 ISAS 在任务上有明确的分工, 因此在设施方面建有自己的发射场、任务控制中心、 数据接收及处理措施。
日本在 1990 年 1 月发射了“飞天”(Hiten)月球
" 收稿日期:2003 - 03 - 25
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探测器,成为继美国、俄罗斯(前苏联)之后第三个探 测月球的国家。该探测器重 182 kg,用于地 - 月轨 道探测,同时还发射一颗 11 kg 的“造箭室”月球轨 道器用于对月球观测。
光谱范围 0 . 4 ~ 1 . 6 !m 9 个谱段,空间分辨率 20 m
探测任务 探测的分布 探测的分布 研究月球矿物分布
研究月球矿物分布
高分辨率立体摄像机 (地形摄像机)
空间分辨率 10 m
研究月球表面结构
月球雷达发声仪
激光高度计
月球磁强计 等离子体成像仪 带电离子质谱仪 等离子体分析仪 无线电测量装置 月球表面无线电信号发生器 (VLBI 测量) 中继卫星通信转发器
月球飞行,执 行 科 学 考 察 任 务;在 充 分 试 验 的 基 础 上,再于 2006 年发射 SELENE - B 探测器,练习和掌 握在月球表面进行软着陆技术。
SELENE 探测器由日本宇宙开发事业团(NASDA)和宇 宙 科 学 研 究 所( ISAS)合 作 研 制 的,总 经 费 约 4 亿美元。该探测器由轨道器和中继卫星组成。 轨道器又分为任务舱和推进舱,其中任务舱装有进 行月球测绘和科学试验的仪器。SELENE 探测器由 H - 2A 运载火箭发射,其轨道器运行在 100 km 的轨 道,中继卫星运行在 100 > 2 400 km 的轨道。探测器 的寿命为 1 年,发射重量约为 2 885 kg,其中中继卫 星重 40 kg。探测器主要任务进行对月球观察和月 球表面软着陆技术试验。它携带的 14 台探测仪器 (见表 1 所列)将对月球元素分布、蕴藏量和矿物成 分进行分析。
3. 深空网地面 TT&C 设施 (1)相模原控制中心和鹿儿岛站 TT&C 设施
相模原控制中心和鹿儿岛站的 TT&C 系统大体 上由 S / X 波段天线系统、S 波段接收机、S 波段发射 机、X 波段接收机、S / X 波段距离与距离变化率测量 系统、S / X 波段遥测解调系统、S 波段指令信号产生 系统、集中监视控制系统和卫星控制系统等组成,分 别安装在鹿儿岛站和相模原控制中心。该系统具有 遥测接收监视功能及向科学卫星和深空探测器发射 指令的控制功能。该地面设施以微机 MS175 为中 枢,有供卫星操作的卫星控制台(由指令控制台、卫 星监视台组成)分别安装在鹿儿岛站和相模原控制 中心,以便这 2 个站可进行相同的控制。表 2 列出 了鹿儿岛站地面 TT&C 综合性能一览表。
(2)测距频率
500 / 100 / 20 kHZ
(3)测距方式 (4)多普勒测量范围
PN 码 1 12 km / S
(5)多普勒测量方式 单向 / 双向
遥测解调
(1)系统数 (2)解调方式
指令信号
S 波段:1 个系统 X 波段:1 个系统
PCM,PCM - PSK,PSK - CONV PCM - CONV - PSK
1996 年,日本提出一项 290 亿美元的月球基地 开发计划,其目的是在至 2025 年的 30 年内以日本 为主建立一个能进行食品加工和能源生产的有人月 球基地。根据此计划安排,在 2006 年前日本将发射 几个无人的月球探测器,以对月球进行全面的探测 和验证软着陆技术;2007 ~ 2016 年建成无人的月球 系统并投入运营;2017 ~ 2023 年建成有人的应用系 统;2024 ~ 2030 年 进 入 有 人 月 球 系 统 运 营 阶 段。 2003 年将发射带有钻进器的“月球 - A”(Lunar - A) 探测 器;2004 年 发 射“月 球 学 与 工 程 探 索 者 - A” (SELENE - A)探测器,将在距月球 100 km 轨道上绕
接收 G / T(EL 为 90 时) S 波段:32 . 8 dB / K(2 . 3 GHZ 时)
X 波段:43 . 0 dB / K(8 . 5 GHZ 时)
发射极化方式
S 波段:右旋圆极化 / 左旋圆极化
接收方式 距离和距离变化率 测量系统 (1)测距范围
S 波段,X 波段极化波分集接收 约 500 000 km
(1)系统数
Leabharlann Baidu
S 波段:1 个系统
(2)信号形式
PCM(PN)- PSK
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(2)臼田深空站 TT&C 设施 臼田深空站的 TT&C 主要设备包括天线、发射
接收系统、遥测指令系统、距离和距离变化率测量系 统及操作控制系统。这些设备用来接收深空探测器 发出的微弱电波,获取探测器观测的各种遥测数据、 发射到探测器的指令信号,测量探测器与地面站之 间距离和距离变化率数据,管理和控制探测器和地 面设备。
Japan’s Deep - space Exploration and TT&C Technologies:an Overview
WANG Gui - hua
(Southwest China Institute of EIectronic TechnoIogy,Chengdu 610036,China)
序号 1 2
3
4
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
表 1 SELENE 探测器所载探测仪器及其 性能参数、任务一览表
仪器名称 X 射线频谱仪 伽玛射线频谱仪
多光谱测绘仪
多带宽成像仪
性能参数
空间分辨率 20 km
空间分辨率 160 km 光谱范围 0 . 5 ~ 2 . 6 !m
光谱分辨率 6 ~ 8 m 空间分辨率 500 m
2003 年第 3 期 文章编号:1001 - 893X(2003)03 - 0001 - 05
专题评述
SUMMARIZATION
日本深空探测与深空测控技术!
"
汪桂华
(中国西南电子技术研究所,四川 成都 610036)
摘 要:对日本的深空探测计划与实施情况及其深空测控技术进行了综合性的评述,重点阐述了日 本 ISAS 深空测控网的组成、地面跟踪与控制设施的配备及深空测控技术与水平。 关键词:深空探测;计划;深空测控网;测控技术;水平;评述 中图分类号:TN529;V57 文献标识码:A
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