NASA空间通信与导航能力的创新发展 .pdfVIP

NASA空间通信与导航能力的创新发展

转自：电科小氙

空间通信与导航技术是所有空间任务的关键基础。为了支持美国

空间科学与探索任务，美国国家航空航天局（NASA）一直在其空间

通信与导航（SCaN）项目下持续推进当前技术的发展。SCaN项目办

公室对未来的设想是建成完全互通的空间通信资产网络，NASA总部

联合其下辖的戈达德航天飞行中心、格林研究中心和喷气推进实验室

等机构正在全力开发创新解决方案，应对当前及未来空间通信与导航

面临的诸多复杂挑战。

1NASA当前的空间通信与导航能力

过去50年来，NASA主要使用RF频段向地球上的数据用户传送

在轨卫星任务数据。使用分配的电磁频谱频段，NASA能够从国际空

间站、“哈勃”太空望远镜、火星“好奇号”探测车、土星“卡西尼”

号探测器等重要太空任务资产收集数据，促进了对宇宙和天体行星的

探索和发现。

NASA的通信网络为一百多个任务提供支持，其中部分任务是绕

地运行任务，收集关于天气和气候变化的重要数据；另一些任务则是

进入太阳系深处甚至更远的星际任务。这些任务使用NASA的三大通

信网络：即近地网（NEN）、空间网（SN）和深空网（DSN）。

近地网由系统性部署在全球14个不同地面站的地面天线组成，支

持低地球轨道（LEO）和地球同步轨道（GEO）任务向地球下传数据。

如使用更大型的地面站天线，近地网也能够为距地表160万公里的拉

格朗日L1和L2点的任务提供支持。

空间网由跟踪与数据中继卫星（TDRS）星座发展演变而来。

TDRS运行在地球同步轨道，为NASA近地任务提供持续全球通信覆

盖。这些任务能够将其数据发送至TDRS，再由TDRS下传到位于新墨

西洲白沙测试场或关岛的远程地面终端进行处理。

深空网由近等距（大约相隔120度）分布在地球赤道上的三个大

型地面天线组成，确保深空任意卫星在任何时间都能够至少与一个地

面站进行通信。深入太阳系研究木星或冥王星等行星的航天器任务必

须使用深空网。

NASA使用上述网络收集科学数据，如图像和测量值以及航天员

信息、航天器健康状况和位置等信息。这些网络采用成熟的RF通信技

术，而近年来，NASA一直在进行光通信实验，使用激光与在轨卫星

之间传送数据。

2通过先进技术提升当前空间通信与导航能力

NASA一直在追求技术进步，未来的无缝互操作系统将采用光通

信、宽带Ka波段、光与RF混合天线等技术，极大提升通信性能。

2.1光通信

先进通信系统将使NASA能够以更快的响应速度支持更高速率的

海量数据。为增强用户的通信与导航活动及服务，NASA正在开发和

测试光通信技术，利用光通信从卫星直接或通过空间中继将数据下传

到地球上的地面系统终端。

与RF技术相比，光通信系统性能优势显著。使用光通信，能够更

轻、更高效、更安全地向地球传送数据。

·光通信系统质量、尺寸和体积小于标准RF系统，且所需功率低，

可以降低空间任务的成本。此外，光通信地面站明显更小（对于近地

通信，望远镜孔径小于0.5米），可在全球建造。随着载人航天飞行向

深空发展，极为需要这些基础设施优势。

·光通信系统的数据率明显高于RF系统，是RF系统的10到100

倍。这将增加地面用户可接收的任务数据和航天器总体健康状况信息。

·利用光通信技术生成的导航观测量精度比当前RF系统高出四到

五个量级。利用超精确导航、时间和频率传送将可实现分布式航天器

任务概念，大大增强天基大地测量和重力测量能力。

·使用光通信还可明显提升安全性。激光光束极窄，发散角小，信

息传递不易被其他设备捕获。在这个充满网络攻击的时