大口徑天線在深空測(cè)控任務(wù)中的應(yīng)用

1、大口徑天線在深空測(cè)控任務(wù)中的應(yīng)用大口徑天線在深空測(cè)控任務(wù)中的應(yīng)用主要內(nèi)容主要內(nèi)容n1 研究背景研究背景n2 美國(guó)深空測(cè)控網(wǎng)（美國(guó)深空測(cè)控網(wǎng)（DSN）n3 FAST與深空測(cè)控與深空測(cè)控n4 結(jié)論結(jié)論1 研究背景研究背景隨著我國(guó)航天事業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展，特別是嫦娥系列月球探測(cè)隨著我國(guó)航天事業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展，特別是嫦娥系列月球探測(cè)衛(wèi)星的成功發(fā)射，下一步勢(shì)必開(kāi)展更多的深空探測(cè)任務(wù)。由于衛(wèi)星的成功發(fā)射，下一步勢(shì)必開(kāi)展更多的深空探測(cè)任務(wù)。由于測(cè)量距離遙遠(yuǎn)，目前我國(guó)的航天測(cè)控手段還不能滿足要求。測(cè)量距離遙遠(yuǎn)，目前我國(guó)的航天測(cè)控手段還不能滿足要求。1 研究背景研究背景大口徑天線是深空測(cè)控網(wǎng)的核心部件之一。作為探月天文大

2、口徑天線是深空測(cè)控網(wǎng)的核心部件之一。作為探月天文觀測(cè)站，觀測(cè)站，“嫦娥一號(hào)嫦娥一號(hào)”使用云南昆明使用云南昆明40米口徑和北京密云米口徑和北京密云50米口米口徑射電望遠(yuǎn)鏡。徑射電望遠(yuǎn)鏡。2012年，喀什測(cè)控站已增建天線口徑達(dá)到年，喀什測(cè)控站已增建天線口徑達(dá)到35米的米的測(cè)控設(shè)備，佳木斯測(cè)控站建設(shè)天線口徑達(dá)到測(cè)控設(shè)備，佳木斯測(cè)控站建設(shè)天線口徑達(dá)到64米的大型深空測(cè)控米的大型深空測(cè)控設(shè)備改造擴(kuò)建工程已完成。目前正在南美洲地區(qū)建設(shè)第三個(gè)擁有設(shè)備改造擴(kuò)建工程已完成。目前正在南美洲地區(qū)建設(shè)第三個(gè)擁有大口徑天線的深空測(cè)控站，這些深空測(cè)控站具備大口徑天線的深空測(cè)控站，這些深空測(cè)控站具備S、X和和Ka等等3個(gè)個(gè)

3、頻段功能的測(cè)控和數(shù)據(jù)接收能力。其中，頻段功能的測(cè)控和數(shù)據(jù)接收能力。其中，64米站可完成我國(guó)探月米站可完成我國(guó)探月二、三期以及火星探測(cè)等深空測(cè)控任務(wù)，是我國(guó)第一套深空測(cè)控二、三期以及火星探測(cè)等深空測(cè)控任務(wù)，是我國(guó)第一套深空測(cè)控站，其作用距離約站，其作用距離約4億公里。億公里。1 研究背景研究背景FAST是是500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡的簡(jiǎn)稱，是中國(guó)為國(guó)際的簡(jiǎn)稱，是中國(guó)為國(guó)際SKA建設(shè)所做的建設(shè)所做的努力和貢獻(xiàn)。作為努力和貢獻(xiàn)。作為Arecibo類型射電望遠(yuǎn)類型射電望遠(yuǎn)鏡的一種，鏡的一種，F(xiàn)AST具有具有3個(gè)突出的特點(diǎn)：喀個(gè)突出的特點(diǎn)：喀斯特地形作為站址、靈活的主反射面，以斯特地

4、形作為站址、靈活的主反射面，以及基于索驅(qū)動(dòng)的及基于索驅(qū)動(dòng)的2級(jí)精調(diào)饋源系統(tǒng)。級(jí)精調(diào)饋源系統(tǒng)。FAST投入運(yùn)行后，能否能在國(guó)際上投入運(yùn)行后，能否能在國(guó)際上以較大的天區(qū)覆蓋和照明面積對(duì)深空測(cè)控以較大的天區(qū)覆蓋和照明面積對(duì)深空測(cè)控網(wǎng)進(jìn)行較好的補(bǔ)充？網(wǎng)進(jìn)行較好的補(bǔ)充？2 美國(guó)深空測(cè)控網(wǎng)（美國(guó)深空測(cè)控網(wǎng)（DSN）DSN由由NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)開(kāi)發(fā)并管理，是世界上最開(kāi)發(fā)并管理，是世界上最大、最靈敏的測(cè)控通信網(wǎng)。大、最靈敏的測(cè)控通信網(wǎng)。DSN主要為主要為NASA的深空探測(cè)器提供跟蹤、數(shù)據(jù)獲取和通信的深空探測(cè)器提供跟蹤、數(shù)據(jù)獲取和通信服務(wù)。此外，服務(wù)。此外，DSN還用于收集射電科學(xué)、

5、射電天文、甚長(zhǎng)基線干還用于收集射電科學(xué)、射電天文、甚長(zhǎng)基線干涉儀涉儀(VLBI)和行星雷達(dá)等領(lǐng)域的科學(xué)數(shù)據(jù)，并用于支持大橢圓軌和行星雷達(dá)等領(lǐng)域的科學(xué)數(shù)據(jù)，并用于支持大橢圓軌道道(HEO)航天器的發(fā)射和早期軌道段航天器的發(fā)射和早期軌道段(LEOP)，以及在緊急情況下，以及在緊急情況下為低地球軌道為低地球軌道(LEO)任務(wù)提供支持。任務(wù)提供支持。2.1 DSN組成組成深空網(wǎng)深空網(wǎng)DSN由三個(gè)經(jīng)度相差由三個(gè)經(jīng)度相差120。的地面綜合地面站組成，即。的地面綜合地面站組成，即加州的戈而德斯墩、澳大利亞的加州的戈而德斯墩、澳大利亞的堪培拉和西班牙的馬德里。每個(gè)堪培拉和西班牙的馬德里。每個(gè)地面站均有多個(gè)大型

6、拋物面天線地面站均有多個(gè)大型拋物面天線和相關(guān)設(shè)備組成，其中大天線口和相關(guān)設(shè)備組成，其中大天線口徑分別為徑分別為64m(目前已經(jīng)擴(kuò)展為目前已經(jīng)擴(kuò)展為70m)、34m和和26m。2.2 DSN的天線設(shè)計(jì)的天線設(shè)計(jì)深空網(wǎng)天線的設(shè)計(jì)要折衷深空網(wǎng)天線的設(shè)計(jì)要折衷考慮兩個(gè)因素：既要使天線盡可考慮兩個(gè)因素：既要使天線盡可能多地接收來(lái)自遠(yuǎn)方的無(wú)線電信能多地接收來(lái)自遠(yuǎn)方的無(wú)線電信號(hào)，又要少接收來(lái)自周圍地面的號(hào)，又要少接收來(lái)自周圍地面的雜散噪聲。雜散噪聲。20世紀(jì)世紀(jì)70年代的年代的“雙形雙形(dualshape)”設(shè)計(jì)方案可以大設(shè)計(jì)方案可以大大改進(jìn)天線的性能。大改進(jìn)天線的性能。2.2 DSN的天線設(shè)計(jì)的天線設(shè)計(jì)

7、20世紀(jì)世紀(jì)90年代中期，年代中期，DSN建造了新的建造了新的34m天線天線(34m BWG)。這些新的天。這些新的天線采用雙形設(shè)計(jì)方案以及射線采用雙形設(shè)計(jì)方案以及射束波導(dǎo)束波導(dǎo)(BWG)技術(shù)。射束波技術(shù)。射束波導(dǎo)采用一系列附加副反射器，導(dǎo)采用一系列附加副反射器，將焦點(diǎn)移到天線下的固定房將焦點(diǎn)移到天線下的固定房間內(nèi)。間內(nèi)。2.3 DSN的工作頻段的工作頻段目前目前DSN支持支持S、X和和Ka三個(gè)工作頻段。三個(gè)工作頻段。2.4 DSN天線組陣技術(shù)天線組陣技術(shù)所謂天線組陣技術(shù)就是利用分布在不同地點(diǎn)的多個(gè)天線組成所謂天線組陣技術(shù)就是利用分布在不同地點(diǎn)的多個(gè)天線組成天線陣列，接收來(lái)自同一深空探測(cè)器的信

8、號(hào)，并將各個(gè)天線接收天線陣列，接收來(lái)自同一深空探測(cè)器的信號(hào)，并將各個(gè)天線接收的信號(hào)進(jìn)行合成，從而獲得所需的高信噪比接收信號(hào)。的信號(hào)進(jìn)行合成，從而獲得所需的高信噪比接收信號(hào)?！奥眯姓呗眯姓?號(hào)號(hào)”在在20世紀(jì)世紀(jì)80年代后期抵近天王星和海王星時(shí)，就是依靠深空年代后期抵近天王星和海王星時(shí)，就是依靠深空網(wǎng)的地面天線組陣來(lái)提高返回的數(shù)據(jù)量。在抵近天王星時(shí)，位于網(wǎng)的地面天線組陣來(lái)提高返回的數(shù)據(jù)量。在抵近天王星時(shí)，位于澳大利亞堪培拉的澳大利亞堪培拉的70m天線與相距近天線與相距近180km處的一個(gè)處的一個(gè)64m天線組成天線組成陣列。在抵近海王星時(shí)，天線組陣通過(guò)戈?duì)柕滤诡D的陣列。在抵近海王星時(shí)，天線組陣通過(guò)

9、戈?duì)柕滤诡D的70m天線和天線和2個(gè)個(gè)34m天線與新墨西哥州中部超大規(guī)模陣列的天線與新墨西哥州中部超大規(guī)模陣列的27個(gè)直徑個(gè)直徑25m天線來(lái)天線來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)。3 FAST與深空測(cè)控與深空測(cè)控FAST是是500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡的簡(jiǎn)稱，是中國(guó)為國(guó)際米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡的簡(jiǎn)稱，是中國(guó)為國(guó)際SKA建設(shè)所做的努力和貢獻(xiàn)。建設(shè)所做的努力和貢獻(xiàn)。 FAST對(duì)天文學(xué)的影響將是重大的，對(duì)天文學(xué)的影響將是重大的，也必將影響其它自然科學(xué)。其科學(xué)目標(biāo)包括中性氫測(cè)量、脈沖星也必將影響其它自然科學(xué)。其科學(xué)目標(biāo)包括中性氫測(cè)量、脈沖星觀測(cè)、星際介質(zhì)分子探測(cè)、甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量、尋找外星生命。觀測(cè)、星際介質(zhì)分子探測(cè)、甚長(zhǎng)基線干

10、涉測(cè)量、尋找外星生命。FAST的通用技術(shù)指標(biāo)如下：（的通用技術(shù)指標(biāo)如下：（1）反射面半徑）反射面半徑300m，口徑，口徑500m，有效照明口徑，有效照明口徑300m；（；（2）工作頻率）工作頻率70MHz5GHz，改造，改造升級(jí)后最高可達(dá)升級(jí)后最高可達(dá)8GHz；（；（3）定向時(shí)間為）定向時(shí)間為10min。3 FAST與深空測(cè)控與深空測(cè)控3 FAST與深空測(cè)控與深空測(cè)控3 FAST與深空測(cè)控與深空測(cè)控以以“旅行者旅行者”號(hào)航天器為例號(hào)航天器為例f8.4GHZ P21.3WG6500011R6.8 10 m則地球上接收天線的功率通量密度為則地球上接收天線的功率通量密度為2192/ 42.383 10W/PGRm若用若用DSN中中64m口徑天線來(lái)接收信號(hào)，則接收信號(hào)功率為口徑天線來(lái)接收信號(hào)，則接收信號(hào)功率為16P3.05 10rrA若采用若采用FAST天線進(jìn)行接收，則接收信號(hào)功率天線進(jìn)行接收，則接收信號(hào)功率14P1.86 10rrA信號(hào)的接收能力提高了信號(hào)的接收能力提高了2個(gè)量級(jí)！個(gè)量級(jí)！4 總結(jié)FAST站址處于站址處于DSN網(wǎng)的間隙，而且有巨大的口徑和有效照網(wǎng)的間隙，而且有巨大的口徑和有效照明口徑。若將此天線建造成為深空測(cè)控通信系統(tǒng)，可對(duì)