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)提供帶寬。

自阿波羅時(shí)代以來(lái)，月球前所未有地成為許多任務(wù)的目標(biāo)，太空機(jī)構(gòu)和商業(yè)實(shí)體都將目光投向了月球。例如，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）制定了利用機(jī)器人訪問(wèn)月球和載人登月的多項(xiàng)任務(wù)，還考慮在未來(lái)10年里聯(lián)合國(guó)際合作者建立一個(gè)小型月球軌道前哨基地。該基地稱為月球空間站，將用于儲(chǔ)存物資、接待來(lái)訪的宇航員，以及便利月球與地球之間的通信。

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(gè)。當(dāng)然，并非所有計(jì)劃任務(wù)都會(huì)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(kāi)。這僅僅是個(gè)開(kāi)始：我們預(yù)計(jì)，人類對(duì)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(shí)期使用了無(wú)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(wú)法直接看見(jiàn)地球。即使在朝向地球的一面，通信也會(huì)受到山丘和隕坑壁的阻礙。 實(shí)際上，跨越數(shù)十萬(wàn)公里空間進(jìn)行直接通信需要一個(gè)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。但目前的小型機(jī)器人無(wú)法為這些大型系統(tǒng)提供空間或電源。連接月球的一個(gè)更佳方案是建立環(huán)繞月球軌道的中繼航天器網(wǎng)絡(luò)，提供無(wú)處不在的連續(xù)覆蓋。 意大利航空航天公司Argotec和美國(guó)國(guó)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(kāi)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)室正在提供無(wú)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(gè)軌道（每個(gè)軌道6顆衛(wèi)星）。這種配置可向兩極區(qū)域提供連續(xù)覆蓋，在其他任何地方提供近乎不間斷的連續(xù)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(shí)都可與地球保持可靠、不間斷的聯(lián)系。

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在繞月軌道上放置中繼衛(wèi)星存在一定的挑戰(zhàn)。首先，我們希望使用穩(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(duì)人類或機(jī)器人可能有重要活動(dòng)的“熱點(diǎn)”區(qū)域具有連續(xù)或近乎連續(xù)的物理視線；第三，在保證月球熱點(diǎn)區(qū)域高可見(jiàn)度的同時(shí)，我們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(gè)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(duì)于持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)的載人任務(wù)來(lái)說(shuō)，從月球（而不是地球）獲得人類所需的水資源可能會(huì)更加容易。此外，水還可以通過(guò)電解為火箭提供氫燃料。另一個(gè)潛在熱點(diǎn)區(qū)域是月球背面的赤道區(qū)，將來(lái)有一天可能會(huì)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”，通過(guò)計(jì)算多顆衛(wèi)星之間的信號(hào)到達(dá)月球表面某一點(diǎn)所需的時(shí)間來(lái)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(jià)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)星提供盡可能好的服務(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(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間。建議軌道為橢圓形，運(yùn)行周期為12小時(shí)，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(dòng)最慢，在最近點(diǎn)移動(dòng)最快。因此，為提供長(zhǎng)時(shí)間通信，我們希望軌道的遠(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(shí)間里都同時(shí)有3顆衛(wèi)星覆蓋，并且在任何給定時(shí)間至少有1顆衛(wèi)星。同時(shí)，月球赤道上空在89%的時(shí)間至少有1顆衛(wèi)星，79%的時(shí)間同時(shí)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(wàn)公里。相比之下，地球到月球的距離約為40萬(wàn)公里。即使對(duì)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(shí)，無(wú)須使用大型的通信終端。有了中繼衛(wèi)星，利用一個(gè)小型通信終端即可將信號(hào)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(gè)人可相互通話，且沒(méi)有明顯延遲。

如果沒(méi)有中繼衛(wèi)星，通話必須往返地球，大約需要3秒鐘。可以想象一下電話延遲3秒會(huì)多么難以接受，人們會(huì)很快意識(shí)到中繼衛(wèi)星對(duì)月球表面語(yǔ)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(jiǎn)單的文本或語(yǔ)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。考慮到計(jì)劃的月球任務(wù)數(shù)量，中繼衛(wèi)星需要同時(shí)處理多個(gè)通信。對(duì)于較低帶寬的應(yīng)用（如文本和語(yǔ)音），一顆衛(wèi)星可收集匯總和中繼轉(zhuǎn)發(fā)多個(gè)數(shù)據(jù)流。另一方面，單個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡生成的高數(shù)據(jù)量就可能達(dá)到某個(gè)衛(wèi)星容量的極限。 ?

美國(guó)國(guó)家航空航天局目前正在研究?jī)煞N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(zhǎng)波射電望遠(yuǎn)鏡。LCRT將以低于30兆赫的頻率觀測(cè)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(gè)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(yáng)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(duì)黑暗時(shí)代和系外行星進(jìn)行無(wú)線電科學(xué)調(diào)查的背面陣列。法賽德陣列（FARSIDE）是一個(gè)低射頻干涉陣列，通過(guò)多個(gè)天線觀測(cè)遙遠(yuǎn)恒星和其他射電源。通過(guò)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(gè)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（如我們建議的仙女座星座）。 FARSIDE能夠每分鐘對(duì)整個(gè)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(cè)范圍更低的頻段，頻段低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。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)。 ?

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(gè)昂貴的地面天線都應(yīng)能夠同時(shí)接收來(lái)自多個(gè)中繼衛(wèi)星的信號(hào)，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(gè)很好示例。DSN在全球范圍內(nèi)建造有3個(gè)天線復(fù)合基站，分別位于美國(guó)加州、澳大利亞和西班牙，每個(gè)站點(diǎn)都具有若干大型的高靈敏度天線。然而，DSN的設(shè)計(jì)旨在支持月球以外的深空探測(cè)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(jì)劃任務(wù)對(duì)DSN都有很高的需求。因此，盡管這可能是一個(gè)不錯(cuò)的初步選擇，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，租賃或建造商業(yè)地面站會(huì)更便宜、更有效。

一個(gè)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(lái)看這屬于小型航天器。我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)概念衛(wèi)星，當(dāng)太陽(yáng)能電池板和天線收起時(shí)，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(kāi)發(fā)的四信道無(wú)線通信設(shè)備，其中兩個(gè)信道運(yùn)行在K波段（約26千兆赫），還有兩個(gè)信道運(yùn)行在S波段（約2千兆赫）。一個(gè)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(gè)信道連接月球。S波段信道提供衛(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波段信道提供衛(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。

我們的衛(wèi)星使用K波段進(jìn)行地球-衛(wèi)星連接，原因有二。首先，空間通信K波段的可用帶寬比其他波段的要多；其次，對(duì)于同樣尺寸的天線，K波段的天線增益更高。換句話說(shuō)，K波段天線可以更有效地將所接收到的信號(hào)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(chǔ)備來(lái)保持鏈路穩(wěn)定。 目前的通信衛(wèi)星設(shè)計(jì)有3個(gè)天線：一個(gè)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(gè)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(gè)固定S波段天線陣列。我們還在考慮一種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。

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我們目前正在完成航天器的設(shè)計(jì)。我們打算盡可能使用市場(chǎng)有售的硬件來(lái)降低成本。然而，我們?nèi)匀恍枰倪M(jìn)一些新技術(shù)，提供衛(wèi)星所需的性能，同時(shí)滿足質(zhì)量和功率的要求。可3D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(kāi)發(fā)的新技術(shù)。可使用的2厘米發(fā)射天線，在32千兆赫時(shí)測(cè)得的各向同性增益超過(guò)32分貝。我們預(yù)計(jì)通過(guò)最近的設(shè)計(jì)改進(jìn)可將增益提高到34分貝。我們還在研究雙頻功能，使天線能夠同時(shí)發(fā)射和接收信號(hào)。

此外，我們希望使用更小、更輕便的軟件定義的宇宙空間轉(zhuǎn)發(fā)器無(wú)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(duì)UST-Lite原型機(jī)的初步熱測(cè)試，保證無(wú)線通信設(shè)備產(chǎn)生的熱量可以消散而不會(huì)影響性能。我們進(jìn)行了附加測(cè)試，更好地描述原型機(jī)的接收閾值、誤碼率、發(fā)射波形等。我們將繼續(xù)優(yōu)化接收器的參數(shù)，開(kāi)發(fā)覆蓋K波段的新模塊。（目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)了S波段和X波段模塊。） ?

另外，我們正在著手解決網(wǎng)絡(luò)的軟件需求。例如，對(duì)于中繼衛(wèi)星和月球用戶之間S和K波段的通信，目前還沒(méi)有協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。為此，我們已經(jīng)開(kāi)始與空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)合作，引入這樣一個(gè)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(gè)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(duì)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(dòng)駕駛汽車。 我們的通信網(wǎng)絡(luò)只是第一步。在更遠(yuǎn)的未來(lái)，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(huì)像地球上的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備一樣進(jìn)行無(wú)線連接。機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，傳感器可自動(dòng)上傳測(cè)量數(shù)據(jù)。

這樣的月球通信愿景可能需要經(jīng)過(guò)幾代月球通信網(wǎng)絡(luò)才能實(shí)現(xiàn)。但我們堅(jiān)信，人類終有一天將在月球定居，在穩(wěn)健的無(wú)線環(huán)境中從事科學(xué)、技術(shù)和商業(yè)活動(dòng)。

作者：Alessandro Balossino、Faramaz Davarian ?

審核編輯：黃飛

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