[发明专利]一种适用于火卫一探测任务的深空通信系统

说明书

本发明涉及深空探测技术领域，公开了一种适用于火卫一探测任务的深空通信系统，即一方面通过在火星侧布置运行在特殊极地轨道上的火星极地卫星，可使得在探测器与火星极地卫星之间始终不会出现障碍物来阻挡分米波通信，实现火卫一至火星间分米波通信链路全周期不中断目的，另一方面通过将至少三颗绕日公转卫星作为行星间中继卫星，可实现行星间激光波通信链路全周期不中断目的，以及通过将至少三颗地球同步卫星作为星地间中继卫星，可实现星地间Ku波通信链路全周期不中断目的，进而最终实现火卫一至地面间全通信链路的全周期不中断目的，保障不会因通信中断而影响火卫一探测任务。

技术领域

本发明属于深空探测技术领域，具体地涉及一种适用于火卫一探测任务的深空通信系统。

背景技术

自1957年10月4日第一颗人造卫星上天后，人类从未停止过对于整个太阳系探索的好奇心。至今为止，已经有超过160个探测器被发送到深空中用于探索太阳系。尽管如此，也仅探索了太阳系的极小一部分，还有很多的行星、小行星、矮行星和行星卫星（例如火卫一、木卫二、木卫四和土卫六等）等待被探索。

火卫一福布斯（Phobos）是距离火星最近的一颗天然卫星，其显著的不规则形状和极小的尺寸在太阳系行星的天然卫星中非常罕见，其起源问题也一直处于争议之中，同时由于火卫一已经被火星潮汐锁定，使得火卫一的一面总是朝向火星，是观测火星的好地方以及可以避开太空辐射，是未来火星考察的前哨站，因此火卫一是天文研究和深空探测的热点目标之一。早在1971年，“水手9号”探测器就获得了火卫一的近距离图像，以及在20世纪70年代末“海盗1号”和“海盗2号”也分别获得了火卫一的图像数据，之后，前苏联和俄罗斯相继发射了三颗火卫一探测器，但是这些任务都失败或者没有达到预定的科学目标。最近，欧洲航天局和日本航天局分别提出了以火卫一和火卫二为探测目标的任务，激起了新一轮的火星卫星探测热潮。虽然我国的火星探测起步晚，迟至2020年才正式开启“天问1号”火星探测任务，但是在不久的将来，也将开启针对火卫一的特别探测任务。

目前用于执行火卫一探测任务的深空通信系统还没有完整公开，估计仍然是基于火星探测的现有地球-火星通信系统，其通信方式有如下两种：（1）直接通信，即地面深空探测设备与探测器测控设备直接建立通信链路，完成数据收发和轨道测量；（2）中继通信，地面深空探测设备通过在轨飞行的中继星（配置中继终端）接力，完成与其他探测器（例如轨道器或火星表面探测器）的数据收发和轨道测量。不论采用何种现有通信方式，都将因火卫一的特殊性而不能全周期持续通信，即一方面由于火星的公转周期为687个地球日，而地球公转周期为365个地球日，因此大约每隔26个月就会因“火星合日”现象（即当地球和火星运行到太阳相对的两侧，使得太阳位于地球和火星中间，此时从地球上看到火星完全被太阳遮蔽，这种现象称为“火星合日”，太阳的强烈辐射会干扰甚至切断地球与火星间的通信）而不得不中断地球-火星通信。例如在2019年8月28日至9月7日之间，美国航天局就不得不中断火星探测器与地球的通信，长达十天左右。另一方面，由于火卫一公转轨道低，距火星表面距离约6000千米，公转周期为7小时39分，而火星直径就有6794KM，意味着火卫一每公转一圈就会有1～2小时因火卫一位于火星背面（相对于地球）而临时中断通信。

另外，现有的地球-火星通信系统还存在如下不足：（1）针对地面深空探测设备和探测器测控设备，均存在天线口径大和发射功率高的缺陷，目前国际上用于深空探测的地面天线口径最大达到70米，探测器天线口径也有数米（例如美国火星勘察轨道器上配置的高增益天线口径就达到3米），以及发射功率可达到数十乃至数百千瓦，严重影响探测器的使用寿命；（2）地面深空探测设备需全球多点布置，例如，为了适应我国月球和火星等深空探测任务需求，我国已建成了包括佳木斯66米（指地面天线口径，后同）、喀什35米和阿根廷35米三个深空测控站在内的全球布站的深空测控网，但是海外站点易受地缘政治影响；（3）行星间的通信速率有限，数据传输慢，例如，好奇号与地球的直接数据带宽大约为8 kb/s左右, 奥德赛轨道器与地球的带宽也仅为256 kb/s。

发明内容