Argotec公司和噴氣推進實驗室中繼衛(wèi)星可為90多項任務提供帶寬。

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

到2030年前，共有90多項月球任務，月球空間站可能是其中最宏大的一個。當然，并非所有計劃任務都會實現(xiàn)，但許多任務（即使不是大多數(shù)）都將以某種形式展開。這僅僅是個開始：我們預計，人類對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，月球的居民將需要與地球保持通信。盡管阿波羅任務時期使用了無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)域均無法直接看見地球。即使在朝向地球的一面，通信也會受到山丘和隕坑壁的阻礙。 實際上，跨越數(shù)十萬公里空間進行直接通信需要一個具有大型天線或者高功率放大器（或兩者兼有）的強大通信終端。但目前的小型機器人無法為這些大型系統(tǒng)提供空間或電源。連接月球的一個更佳方案是建立環(huán)繞月球軌道的中繼航天器網(wǎng)絡，提供無處不在的連續(xù)覆蓋。 意大利航空航天公司Argotec和美國國家航空航天局的噴氣推進實驗室正在合作研發(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)部負責人；噴氣推進實驗室正在提供無線電和天線等子系統(tǒng)，本文作者之一達瓦里安（Davarian）是該公司的項目經(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個軌道（每個軌道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)行任務時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，所選軌道必須對人類或機器人可能有重要活動的“熱點”區(qū)域具有連續(xù)或近乎連續(xù)的物理視線；第三，在保證月球熱點區(qū)域高可見度的同時，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熱點區(qū)域，因為隕石坑內(nèi)有冰（至少在某種程度上）。對于持續(xù)時間更長的載人任務來說，從月球（而不是地球）獲得人類所需的水資源可能會更加容易。此外，水還可以通過電解為火箭提供氫燃料。另一個潛在熱點區(qū)域是月球背面的赤道區(qū)，將來有一天可能會在那里安裝大型射電望遠鏡。 除通信外，宇航員、月球車和科學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”，通過計算多顆衛(wèi)星之間的信號到達月球表面某一點所需的時間來進行導航。一般而言，中繼衛(wèi)星和軌道越多越好。相應的代價是發(fā)射和運行每一顆衛(wèi)星都要花費大量金錢。因此，中繼衛(wèi)星網(wǎng)絡要以最少數(shù)量的衛(wèi)星提供盡可能好的服務和覆蓋。

Argotec中繼網(wǎng)絡概念使用的一類穩(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年乃至更長的運行時間。建議軌道為橢圓形，運行周期為12小時，傾角為57度，與月球表面距離的最近點為720公里，最遠點（稱為遠心點）為8090公里。 衛(wèi)星在其軌道的遠心點移動最慢，在最近點移動最快。因此，為提供長時間通信，我們希望軌道的遠心點大致位于潛在熱點區(qū)域上方。采用選定軌道，月球兩極在94%的時間里都同時有3顆衛(wèi)星覆蓋，并且在任何給定時間至少有1顆衛(wèi)星。同時，月球赤道上空在89%的時間至少有1顆衛(wèi)星，79%的時間同時有3顆衛(wèi)星覆蓋。

即使在遠心點，中繼衛(wèi)星距離月球表面也不到1萬公里。相比之下，地球到月球的距離約為40萬公里。即使對于地球直接視線內(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器人在維持與地球間的低數(shù)據(jù)率鏈接時，無須使用大型的通信終端。有了中繼衛(wèi)星，利用一個小型通信終端即可將信號傳回地球。 此外，中繼衛(wèi)星還意味著位于月球表面不同位置的兩個人可相互通話，且沒有明顯延遲。

如果沒有中繼衛(wèi)星，通話必須往返地球，大約需要3秒鐘?？梢韵胂笠幌码娫捬舆t3秒會多么難以接受，人們會很快意識到中繼衛(wèi)星對月球表面語音或視頻通信的重要性。 不同的任務具有不同的通信需求。簡單的文本或語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鏡則需要每秒數(shù)兆比特?？紤]到計劃的月球任務數(shù)量，中繼衛(wèi)星需要同時處理多個通信。對于較低帶寬的應用（如文本和語音），一顆衛(wèi)星可收集匯總和中繼轉(zhuǎn)發(fā)多個數(shù)據(jù)流。另一方面，單個射電望遠鏡生成的高數(shù)據(jù)量就可能達到某個衛(wèi)星容量的極限。 ?

美國國家航空航天局目前正在研究兩種可部署在月球背面的射電望遠鏡。第一種為月球隕石坑射電望遠鏡（LCRT），這是一款由噴氣推進實驗室工程師提出的超長波射電望遠鏡。LCRT將以低于30兆赫的頻率觀測宇宙，該頻率被地球電離層阻擋。機器人將在直徑4千米的隕石坑中間部署一個直徑1千米的金屬絲網(wǎng)，創(chuàng)建反射式射電望遠鏡。LCRT將成為太陽系中最大的碟形射電望遠鏡。

第二種建議的望遠鏡用于對黑暗時代和系外行星進行無線電科學調(diào)查的背面陣列。法賽德陣列（FARSIDE）是一個低射頻干涉陣列，通過多個天線觀測遙遠恒星和其他射電源。通過關(guān)聯(lián)多項觀察結(jié)果，F(xiàn)ARSIDE可生成高分辨率源圖像并準確地確定其位置。該系統(tǒng)將使用128個雙極化天線，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能夠每分鐘對整個天空進行一次成像，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可觀測范圍更低的頻段，頻段低兩個數(shù)量級。這兩種望遠鏡都將產(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鏡或月球表面任何其他設備的數(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，每個昂貴的地面天線都應能夠同時接收來自多個中繼衛(wèi)星的信號，減少所需建造的天線數(shù)量。

NASA深空網(wǎng)絡（DSN）就是所需地面網(wǎng)絡類型的一個很好示例。DSN在全球范圍內(nèi)建造有3個天線復合基站，分別位于美國加州、澳大利亞和西班牙，每個站點都具有若干大型的高靈敏度天線。然而，DSN的設計旨在支持月球以外的深空探測任務，將其用于月球中繼系統(tǒng)可能有些大材小用。此外，許多當前和計劃任務對DSN都有很高的需求。因此，盡管這可能是一個不錯的初步選擇，但從長遠來看，租賃或建造商業(yè)地面站會更便宜、更有效。

一個月球中繼航天器要求僅為50或60千克，從衛(wèi)星標準來看這屬于小型航天器。我們開發(fā)了一個概念衛(wèi)星，當太陽能電池板和天線收起時，其尺寸為44厘米×40厘米×37厘米，質(zhì)量（包括推進劑）為55千克。該系統(tǒng)搭載噴氣推進實驗室開發(fā)的四信道無線通信設備，其中兩個信道運行在K波段（約26千兆赫），還有兩個信道運行在S波段（約2千兆赫）。一個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，對于同樣尺寸的天線，K波段的天線增益更高。換句話說，K波段天線可以更有效地將所接收到的信號轉(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備來保持鏈路穩(wěn)定。 目前的通信衛(wèi)星設計有3個天線：一個可轉(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計。我們打算盡可能使用市場有售的硬件來降低成本。然而，我們?nèi)匀恍枰倪M一些新技術(shù)，提供衛(wèi)星所需的性能，同時滿足質(zhì)量和功率的要求?？?D打印的超表面天線是噴氣推進實驗室為小型衛(wèi)星應用開發(fā)的新技術(shù)。可使用的2厘米發(fā)射天線，在32千兆赫時測得的各向同性增益超過32分貝。我們預計通過最近的設計改進可將增益提高到34分貝。我們還在研究雙頻功能，使天線能夠同時發(fā)射和接收信號。

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)器無線通信設備（UST-Lite）。噴氣推進實驗室已經(jīng)完成了對UST-Lite原型機的初步熱測試，保證無線通信設備產(chǎn)生的熱量可以消散而不會影響性能。我們進行了附加測試，更好地描述原型機的接收閾值、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)，開發(fā)覆蓋K波段的新模塊。（目前已經(jīng)開發(fā)了S波段和X波段模塊。） ?

另外，我們正在著手解決網(wǎng)絡的軟件需求。例如，對于中繼衛(wèi)星和月球用戶之間S和K波段的通信，目前還沒有協(xié)議標準。為此，我們已經(jīng)開始與空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會合作，引入這樣一個標準。

可以這樣理解，月球通信設備的目標是在整個月球打造類似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，以對中繼裝置進行補充。此方法可以將許多其他類型的設備連接到月球網(wǎng)絡，例如，低功率物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡和自動駕駛汽車。 我們的通信網(wǎng)絡只是第一步。在更遠的未來，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，機器人和傳感器也會像地球上的物聯(lián)網(wǎng)設備一樣進行無線連接。機器人可實現(xiàn)遠程控制，傳感器可自動上傳測量數(shù)據(jù)。

這樣的月球通信愿景可能需要經(jīng)過幾代月球通信網(wǎng)絡才能實現(xiàn)。但我們堅信，人類終有一天將在月球定居，在穩(wěn)健的無線環(huán)境中從事科學、技術(shù)和商業(yè)活動。

作者：Alessandro Balossino、Faramaz Davarian ?

審核編輯：黃飛

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