什么是深空探测器

什么是深空探测器 什么是深空探测器 深空探测示意图 对月球和月球以外的天体和空间进行探测的无人航天器称为“深空探测器” ，又称“空间探测器” ，包括月球探测器、行星和行星际探测器、太阳探测器等。探测的主要目的是了解太阳系的起源、演变和现状;通过对太阳系内的各主要行星的比较研究，进一步认识地球环境的形成和演变;了解太阳系的变化历史;探索生命的起源和演变。空间探测器实现了对月球和行星的逼近观测和直接取样探测， 开创了人类探索太阳系内天体的新阶段。探测器离开地球时必须获得足够大的速度才能克服或摆脱地球引力， 实现深空飞行。探测器沿着与地球轨道和目标行星轨道都相切的日心椭圆轨道运行， 就可能与目标行星相遇，或者增大速度以改变飞行轨道，可以缩短飞抵目标行星的时间。例如，美国“旅行者 2 号探测器”的速度比双切轨道所要求的大 0.2 千米/秒，到达木星的时间就缩短了将近四分之一。深空探测器除自身的结构、服务等分系统，也有为完成任务而装备的有效载荷。深空探测器与人造卫星同属于无人航天器，在技术上有许多相同的地方，但也有其自身的特点和要求。在能源方面，由于它远离太阳， 很难再依靠太阳能保证有效载荷正常工作， 因此多采用核能产生电能。在通信方面，由于离地球距离更远，要求通信系统的可靠性更高。在控制和导航方面，深空探测器飞离地球几十万到几亿千米， 速度大小和方向稍有误差， 到达目标行星时就会出现很大偏差。 因此就需要更加先进可靠的精确控制和导航系统。 有的探测器还具有自主姿态控制能力。美国国家航空航天局深空网 目前，深空网(DSN)由位于美国加州戈尔德斯顿、澳大利亚堪培拉、西班牙马德里的三个深空通信设施(DSCC) ，位于加利福尼亚州帕萨迪那的控制中心，以及位于加州帕萨迪那附近和弗罗里达肯尼迪角的测试设施组成。 深空通信设施与帕萨迪那控制中心每周 7天、每天 24 小时连续工作。可对深空航天器提供近连续的覆盖。三处设施中的每一处都具有 1 个 70m 天线、数个 34m 天线、1 个 26m 天线、1 个 11m 天线。34m、70m 天线用于支持深空任务，小一些的天线则用于地球轨道任务。控制中心远程控制 34m 和 70m 天线，产生并发送航天器指令，接收并处理航天器遥测。 与其它地基网相比，深空网有如下主要特点: ——分布式运行控制:例如航天器运行控制，科学运行控制，数据获取等等; ——每一个任务都是特殊的，需要特殊适应; ——国际任务和跟踪资源之间的互操作; ——信噪比约束下的测控，很长的双向光行时; ——特殊的跟踪和导航技术，不能应用 GPS; ——多任务工具和服务的集成。 面临未来深空任务挑战，下一代的深空网建设将分成两大部分:一是建设深空主干网，包括现有深空网全面升级至 Ka 频段， 忌枋俑鎏煜咦檎蟮奶煜哒螅构馔ㄐ偶际跹芯浚 ?咝噬羁胀ㄐ派璞负徒ㄉ柙虑颉?火星卫星通信网络等; 另一方面是建设与这个主干网相配套的工具和技术，包括提供多任务运行控制的操作系统、软件和标准，创新的任务操作概念和更高级的深空任务设计、导航技术和用户工具等。通过二者的结合，最终建设一个行星际的网络。具体的时间表是，第一步在 2010 年实现大于 40Mbps 的高速数据传输，开展光通信演示验证;第二步是通过天线阵，支持 2018 年的美国重返月球 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 ;更长远的 规划 污水管网监理规划下载职业规划大学生职业规划个人职业规划职业规划论文 是应用光通信技术，实现 2020 年行星自动探测器 1000Mbps 的高速数据传输，并在增强光通信性能后支持 2030 年载人火星探测计划。 一、 NASA 深空网现状 NASA 深空网(Deep Space Network，DSN)由位于美国加州戈尔德斯敦、澳大利亚堪培拉、西班牙马德里的 3 个地面终端设施组成，相互之间经度相隔约 120?，这样可以为深空探测器跟踪测量提供连续 观测和适当的重叠弧段。每个地面终端设施最少包含 4 个深空站，并且每个深空站都配有高灵敏度的接收系统和大口径的抛物面天线，具体包括: 1 个直径为 34m 的高效率(High Efficiency，HEF)天线 1 个直径为 34m 的波束波导(Beam Waveguide，BWG)天线(戈尔德斯敦有 3 个) 1 个由 4 个 12m 天线组成的天线阵 1 个直径为 70m 的天线 从 2005 年以来，深空网最主要的变化在于 26m 天线子网的退役和每个深空站 12m 天线阵安装的开始。从 2005 年到 2030 年，根据深空任务中下行数据传输要求，传输速率和链路困难，预计增长到 106 量级。为了阏庵挚焖僭龀ば枨螅匦氩捎靡幌盗胁饬糠椒ê托碌募际跏侄巍?深空网现在的体系结构，使用大口径天线已不能有效满足 NASA 未来任务设置(灵敏度和导航)，而且维护和运行过于昂贵。一种新的方法，就是使用可靠的、性价比较高、规模可变的小口径天线组成的天线阵来满足增长的需要。 通过商业研究得出结论:在合理消费前提下，12m 天线是商业化可用的;万一天线或接收机未接收到信号，操作时可以提供满意的衰减;还可以满足 SMD 未来任务设计的科学数据传输速率要求。天线组阵概念可以满足数量上显著增长的探测器需要， 因为天线阵可以同时服务于几个任务， 都可以提供满足每一个任务要求的口径。 进一步来说，这些小天线相对于大天线来说拥有显著的商业化支持并拥有较长的生命周期。12m 天线阵设计的至少包含 400 个天线，相当于提供等效口径为 240m的大天线或者在 X-频段比现在的 70m 天线能力提高 120 倍。子天线阵可以为几个探测器中每一个提供理想的口径。在空间不同地方的多个航天器或者空间相距较近的 16 个飞船能够使用天线阵的高灵敏度。 在每个深空网地面站由 4 个 12m 天线组成的最初天线阵用来支持 2008 年晚些时候开始的 RLEP机器人月球探测计划任务。在“谁使用谁投资”的思想指导下，天线阵经过一段时间会不断增长以满足需要，2020 年将会完全达到计划的 400 个天线。 二、 2010,2030 年深空网 发展规划 小学教师专业发展规划教师个人发展规划三年劳动实践场所建设地理教师发展规划教师三年成长专业规划 目前，NASA 深空任务的特点正在发生很大变化， 深空网必须进行调整去适应这些变化。据估计，未来的任务将要求下行链路传输速率和数量增加 1,2 个数量级，上行链路数据率也可能增加 10,100 倍。为了满足 NASA 及其他航天局任务迅速增加的需要，喷气推进实验室制定了一系列发展计划， 重点放在优化结构，以及在预算不断削减的情况下降低操作维护费用、提高服务能力。目前，喷气推进实验室正在实施下述主要计划: 1(改造现有深空网 尽管未来深空网的发展将主要依赖新的技术方法， 但仍要立足于现有深空网并充分利用其能力，其改造主要是:首先是延长 70m 天线的寿命，70m 天线是从 64m 天线扩展的，设计利用率为 25，但大多数时间实际达到 80。其次，高数传速率的需求驱使深空网实施Ka 频段改造计划。改造 34m 和 70m 天线，使其具备 Ka 频段遥测下行链路能力，可以在不建造新天线的情况下使下行链路能力在原有基础上增加 4 倍。需改进的另一关键问题是上行链路传输能力。由于航天器上搭载的指令接收机从 S、X 频段减少到只有 X 频段， 加上 70m 天线的 X 频段发射机只有 20kW(而 S 频段发射机为 400kW)，DSN 可以通过提高发射功率或研制上行链路天线阵的方法解决此问题。 此外，深空网正在实施多目标支持(MSPA)计划，即一个天线可以支持同时出现在其波束范围内的多个目标。目前，一个天线可以同时支持两个目标，但操作的复杂性和劳动量很大。将来，通过对深空网的自动化改造，每个天线可以同时支持 4 个目标。 2(甚大规模天线阵计划 为满足未来数传速率不断增加的要求，一个方案是建造 34m 或 70m 天 线，一种更经济的方案是利用大量小口径(10m 级)天线组阵。NASA 计划在南半球和北半球 2 或 3 个不同经度的位置布置甚大规模天线阵。 到 该计划具体目标是， 2008 年使天线阵的口径等效于 2.8个 70m 口径天线;到 2020 年将深空网的信号接收能力提高 100,500 倍。 为了同时支持大量任务， 每个天线阵可以划分为数个子阵。每个子阵由指向同一方向的所有天线组成，作用在一起相当于一个大天线。组成子阵的天线可以位于不同的地点，而且是动态的，可以在航天器过境期间随意改变，但不影响跟踪通信。 3(深空光学通信网 能将传输速率提高几个数量级的另一种方法是采用光学通信。光学天-地链路的地球端有两种实现方案——地基和天基，但目前更倾向于前者。在地基方案中，将采用几个 10m望远镜接收深空信号。地基方案中，望远镜的部署有两种方法。第一种方法称作“线性分散光学子网” (LDOS) ，即沿地球一周等间距地布置 6,7 个光学望远镜，NASA 需要建立新的测站和基础设施。第二种方法称作“集群配置光学子网” (CDOS) ，在每个站上布置 3 个10m 光学望远镜，全球共 9 个。 空基方案是在中、高地球轨道上部署光学望远镜。由于空间减少了 3dB 的大气信号衰减，光学望远镜的大小减至 7m 左右。但空基站的成本是地基站的 8 倍，而且同时只能支持一个目标。 目前，光学通信方案还处在概念研究阶段。JPL 建立了光学通信技术实验室，开发出了1m 的光学望远镜样机进行实验。从长远来看，JPL 将在大多数深空任务中采用光学通信，以支持无法用射频通信满足的高速率任务。 4(建立火星网——星际 Internet NASA 的火星观测计划(MSP)正在开发火星轨道上的通信及导航卫星星座，称作火星网，用来支持未来火星探测中通信和导航之需要。 该网络由低成本小卫星以及火星中继卫星组成，也是“星际 Internet”最先实现的组成部分。作为 DSN 的扩展，该网络必须能够支持各种不同的用户， 包括已规划的任务和尚未出现的任务概念。 火星网对用户的支持必须是高效的、大量自主的，以满足用户数量不断增加的需要。该网本身的操作也是以一种高效、自主的方式进行。俄罗斯深空测控网 目前俄罗斯深空网由 3 个地面站、2 个指控中心(MCC)和 2 个弹道中心(BC)组成。3 个地面站分别是乌苏里斯克、叶夫帕托里亚、熊湖。乌苏里斯克配置的是 25m(发) 、32m(收)和 70 m(收/发)站，叶夫帕托里亚拥有 32m(发)、70m(收/发)站，熊湖则是 32m(收)、64m(收)站。东、西两站经度相隔 100?左右，提供了从前苏联本土最长的接力观测时间，并可构成尽可能长的基线。深空任务的主控中心位于加里宁格勒，备用和本地指控中心与叶夫帕托里亚站在一起。2 个弹道中心分别设在莫斯科附近的飞行控制中心(FCC)和俄罗斯科学院的应用 数学 数学高考答题卡模板高考数学答题卡模板三年级数学混合运算测试卷数学作业设计案例新人教版八年级上数学教学计划 所。 1. 任务指控中心(MCC)探测器的飞行和工作控制由 MCC 的操作控制组(COCG)完成。该组的人员来自探测器研制和空间飞行控制过程制订部门，分为任务执行小组、分析小组、飞行规划小组、测控规划和分析小组、弹道组、通信组。MCC 中的信息处理设施包括三大计算机程控系统:自动处理和分析遥测信息的系统、程控遥控系统和信息显示系统。 2. 弹道中心该中心的主要功能是确定探测器的真实飞行弹(轨)道，并预报两次弹道测量过程之间的飞行路径。 作弹道修正的准备过程中，弹道中心要计算出探测器从某一弹道转移到另一弹道所需机动飞行参数。 探测器机动数据以数字形式送到相应测控站， 再通过无线电通信链路送到探测器，插入探测器控制系统的定时器，以便在预定时间修正探测器的飞行路径。 2 个弹道中心独立计算探测器的弹道和机动参数， 计算结果进行比对，如相同则可使用。弹道中心计 算出的数据送往测控站，以便计算目标引导数据以及规划未来探测器操作。 3. 测控设备 目前叶夫帕托里亚站的测控设备是 80 年代研制的“量子-D” 。该站主要利用直径 70m的收发天线，站中还有一个 32m 发射天线及相应设备。70m 设备除完成对深空探测器的测控任务外，还可以其巨型天线和大功率厘米波发射机构成行星雷达，有规律地实施对火星、金星、水星的测距测速(测距精度为 0.3,2 km) ，从回波信号中获得有关行星表面物理结构及行星旋转参数， 绘制多种用途的行星表面的雷达图(亮度图、地貌图、地形高程图等) 。乌苏里斯克站的设备组成与叶夫帕托里亚站基本相似，只是没有行星雷达设备，32m 天线设备只用于接收，而用 25 m 天线设备作为备份发射设备。熊湖站的 32m 、64 m 天线设备只用于科学信息的接收。 4. 信号检测和遥测信息处理系统射频信号的检测和解调由一台程控数字式接收机完成。 该系统实时识别帧和字同步信息、 探测器上时标，分离各通道的信息，利用模,数变换器和磁带机记录这些信息，将相应信息送往用户，以串行或并行码进入通信信道，时间同步精度为?1ms。 5. 弹道测量系统 利用载波多普勒测量法测量探测器的径向速度， 应答方式和非应答方式都可测量。 通过压缩通带， 提高探测器和地面接收机的信噪比， 即在产生地面发射机载频和接收机外差信号时，程控频综器将频率偏移一个相当于多普勒移的预期值。采用相位法进行测距， 基于测量测距信号的传播时延， 测距信号在地面发射机中调制在载波上，由探测器应答机转发。由于深空飞行的探测器位置事先是知道的， 所以不需要测整个距离，仅需要对事先确定的值进行验证和某种改进即可(分米波段测距无模糊距离为 5 000 km，厘米波段为 500 km) 。 采用差分甚长基线干涉仪测量(ΔVLBI) ，可大大缩短测轨时间并提高定轨精度。俄罗斯 3 个深空站可构成差分甚长基线干涉仪，叶夫帕托里亚到熊湖的基线长达 1200 km，到乌苏里斯克的基线达 6900 km，利用这些基线测角精度可望达到 0.05,0.1〃。 6. 程控指令信息系统 任务指控中心制订与探测器通信的计划， 形式是操作指令和数字指令的一个顺序表，定时精度为 0.1 s，通过高可靠性通信信道传送，并自动储存在程控指令系统存储器内，其容量为 6000 个 9 位字。在与探测器通信期间，该计划送到发射机调制器。指令送到调制器上时，任务指控中心对这些指令自动进行检验。 7(新的深空测控系统 经过几个阶段的现代化改造， “量子-D”虽可以满足目前的需要，但已过时，且寿命已满。而且，俄罗斯未来的深空任务将使用 X 频段， “量子-D”的工作频段也不能满足需要。 。 上述原因促使开发了下一代深空测控系统——“木星”“木星”的设计满足下述要求:1上、下行链路采用 X 频段;2使用效率更高的编码技术提高链路的性能;3提高轨道测量信息容量和精度;提高遥测和遥控数据速率。4“木星”系统于 2004,2005 年间投入使用，用来支持 2005,2015 年之间的深空探测任务。该系统将安装在叶夫帕托里亚、乌苏里斯克与熊湖站。熊湖站使用 64 m 和 32 m 天线。 “木星”测控系统现有的高效 70 m 和 32 m 天线经适当的现代化改造后仍将使用。新系统的电子设备采用先进的部件制造， 包括专用大规模集成电路，应用专用处理器和个人计算机等数字方法进行信号和数据处理，许多功能和操作模式用软件而不是硬件的方法来实现。系统的控制和操作监视是自动进行的。 所有这些方法都将减少设备体积、操作人员数量，最终降低测控站的操作费用。 考虑到“木星”站的使用寿命要达到 20 年，设备的研制将尽可能地为该站今后进一步现代化提供方便，以便在运行过程中改造个别系统而不影响该站其余系统的操作。在高电子迁移场效应晶体管 的基础上开发出了工作波长为 3.5 cm 的低噪声接收设备，闭环低温制冷器将放大器保持在液氦的温度，噪声温度预期小于 10 K。 采用特殊的高效专用计算处理器，信号跟踪、信号解调、轨道测量等任务打算采用硬件和软件相结合的方式实现。 接收遥测数据的信道打算采用 CCSDS 建议的级联码， 在信噪比较低的情况下将采用 Turbo 码。支持高远地点地球卫星时，遥测数据速率将增加到 1 Mbps。 “木星”测控系统将为 70m 天线配备新的工作波长 4.2 cm 的 20,40 kW 的发射机，为 32 m 天线配备 5,10 kW 的发射机。为提供所需的可靠性，测控站上的所有设备都有备份。 调制技术、 信号结构等方面的 CCSDS 建议将最大程度地用于 站。 “木星” 该站贯彻 CCSDS建议将有助于俄罗斯深空测控通信网参与国际合作。 新系统还将具有收发异地的三向多普勒测量能力，从而测得发射站,探测器,接收站距离和的变化率。 叶夫帕托里亚站现有的工作波长为 6 cm 的 200 kW 发射机以及相应的信号处理设备被保留，用于行星无线电定位。70 m 天线中现有的波段为 0.33、1.7、2.3 和 5 GHz 的接收信道打算用于射电天文实验。欧洲航天局的深空站 欧洲航天局(ESA)早期的深空任务如“乔托号” (Giotto)和“尤利西斯号”Ulysses)，是由 NASA 深空网(DSN)的地面站提供支持的。为了确保独立地进行下一代深空行星的探测任务(“火星快车” 、 (Mars Express)“罗、 (Rosetta)“金星快车” (Venus Express)和“贝皮克伦木” (Bepi Colombo)水星探测) ，ESA 于 20 世纪 90 年代后期通过欧洲航天操作中心(ESOC)和科学理事会在西澳大利亚建立了新诺舍深空站，于 21 世纪初在西班牙建立了塞布莱罗斯深空站。 一、西澳大利亚新诺舍(New Norcia)深空站 除已经投入使用的新诺舍和塞布莱罗斯的 35 米深空站外， 未来几年 ESA 还将配置第三个 35 米深空站，从而组成 ESA 自己的全球深空网。从目前掌握的材料分析，3 个深空站配置大同小异，均具有遥测、遥控、跟踪、测速、测距和ΔDOR 测量等能力。 新诺舍 35 米深空站是为深空航天器“火星快车”和“罗赛塔”提供测控支持而建设的。该项目于 1998 年启动，2002 年 10 月建成并投入使用。该站位于澳大利亚西部城市珀斯附近的小镇新诺舍以南 8 千米处，该处远离城市，人烟稀少，拥有优越的电磁环境、极好的气候条件以及完美的深空操作纬度，十分适宜深空站建设。另外，西澳大利亚有着高质量的电信基础设施。 新诺舍 35 米深空站由 35 米口径波束波导天线及馈源系统、射频信道(含 S、X 频段上/下行链路，Ka 频段下行链路) 、中频调制解调系统(IFMS) 、时间统一及频率源系统、测试标校系统(如距离校零设备) 、辅助系统(如低温制冷系统、电源系统) ，系统监控台等组成。 新诺舍 35 米深空站具有强大的远程操控能力，欧洲航天操作中心通过通信链路对其实施远程操作， 深空站已经完全做到了无人值守。也正因为如此，要求深空站有很高的可用度。新诺舍 35 米深空站系统设计时其主要信道采用了 1:1 热备份冗余设计，中频调制解调系统(IFMS)按 2:1 热备份设计。 二、西班牙塞布莱罗斯(Cebreros)站 2003 年 2 月西班牙的塞布莱罗斯地面站开始实际建设，2004 年 3 月现场实际移交给ESA，并进行了现场基础设施的重新装修和新发电站的安装。2005 年 8 月整个系统验收，9月 30 日新地面站准备就绪。同所有其它的 ESA 地面站一样，塞布莱罗斯站的天线将由在德国达尔姆施塔特的欧洲航天操作中心远距离控制和操作。 这样就可以不配备长期人员，并将定期检修人员到站的次数减少为每周 1 次。 该站位于西班牙首都马德里西北约 70 千米的山区，距 NASA 深空网马德里站较近。该地区电磁环境好， 气候干燥，适合深空站的建设。该站的设备组成和技术性能与新诺舍站相似，但工作频段由于西班牙马德里地区 3GHz 移动通信的干扰，只有 X 频段上/下行和 Ka频段下行能力。如果需要，经过改造还可以增加 Ka 波段上行能力。从 2005 年底开始，该站将具备空间链路延伸(SLE)服务能力，比特率可以达到 2Mbit/s。该站将由在德国达尔姆施塔特的欧洲航天操作中心远距离控制和操作，其支持的第一个深空任务是 ESA 的“金星快车”。 国外探测火星计划 2009-09-19 10:37:59 1962 年 11 月，苏联发射人类历史上第一颗火星探测器“火星 1 号”(Mars 1)。迄今为止，人类共向火星发射了 42 颗探测器，其中美国 20 颗，苏联/俄罗斯 19 颗，欧洲 2 颗，日本 1 颗。在已取得成功(包括部分成功)的 20 颗火星探测器中，美国 13 颗，苏联/俄罗斯 5颗，欧洲 2 颗。其中火星飞越探测器 4 颗，火星轨道器 9 颗，火星登陆器 7 颗。目前仍在运行的火星探测器有 7 颗，其中 3 颗在火星表面运行的探测器均属于美国，分别是 “勇气”号和“机遇”号火星车，以及此次的“凤凰”号火星探测器。另外，美国在 2007 年 9 月发射了飞越火星的“黎明”号探测器，预计 2009 年到达火星。 按计划，美国国家航空航天局将会在 2009 年将名为“火星科学实验室”的登陆器送上火星。该登陆器使用核动力，将带有大量分析检测设备，用以探明火星上岩石和土壤的成分， 寻找可能形成火星生命的化学成分，能在火星上持续工作许多年。 美国还计划于 2031年进行载人登陆火星。欧洲于 2004 年 2 月 3 日公布了“极光计划”。俄罗斯计划在 2009 年10 月发射“火卫一土壤”火星探测器，并计划在 2035 年后开始载人火星之旅。 美国“凤凰”号火星探测器成功着陆火星 .