月球无线通信覆盖需求的必要性与挑战

Argotec公司和喷气推进实验室中继卫星可为90多项任务提供带宽。

自阿波罗时代以来，月球前所未有地成为许多任务的目标，太空机构和商业实体都将目光投向了月球。例如，美国国家航空航天局（NASA）制定了利用机器人访问月球和载人登月的多项任务，还考虑在未来10年里联合国际合作者建立一个小型月球轨道前哨基地。该基地称为月球空间站，将用于储存物资、接待来访的宇航员，以及便利月球与地球之间的通信。

到2030年前，共有90多项月球任务，月球空间站可能是其中最宏大的一个。当然，并非所有计划任务都会实现，但许多任务（即使不是大多数）都将以某种形式展开。这仅仅是个开始：我们预计，人类对月球的兴趣将不断增加，最终人类将在月球表面永久驻扎。

如果这种情况成为现实，月球的居民将需要与地球保持通信。尽管阿波罗任务时期使用了无线电直接与地球通信，但这不适用所有情况。例如，月球背面及其两极的大部分区域均无法直接看见地球。即使在朝向地球的一面，通信也会受到山丘和陨坑壁的阻碍。 实际上，跨越数十万公里空间进行直接通信需要一个具有大型天线或者高功率放大器（或两者兼有）的强大通信终端。但目前的小型机器人无法为这些大型系统提供空间或电源。连接月球的一个更佳方案是建立环绕月球轨道的中继航天器网络，提供无处不在的连续覆盖。 意大利航空航天公司Argotec和美国国家航空航天局的喷气推进实验室正在合作研发仙女座星座轨道中继卫星概念。

Argotec正在开发航天器概念，本文作者之一巴洛西诺（Balossino）是该公司的研发部负责人；喷气推进实验室正在提供无线电和天线等子系统，本文作者之一达瓦里安（Davarian）是该公司的项目经理。该方案包括24颗中继卫星，它们组成的星座将利用4个轨道（每个轨道6颗卫星）。这种配置可向两极区域提供连续覆盖，在其他任何地方提供近乎不间断的连续覆盖，只偶尔出现微小间断。利用该中继系统，在月球表面任何地方执行任务时都可与地球保持可靠、不间断的联系。

 

 

在绕月轨道上放置中继卫星存在一定的挑战。首先，我们希望使用稳定轨道，即卫星不需要或很少需要操控；第二，所选轨道必须对人类或机器人可能有重要活动的“热点”区域具有连续或近乎连续的物理视线；第三，在保证月球热点区域高可见度的同时，我们不想放弃与月表其他任何部分的连接。

月球南极有可能成为一个热点区域，因为陨石坑内有冰（至少在某种程度上）。对于持续时间更长的载人任务来说，从月球（而不是地球）获得人类所需的水资源可能会更加容易。此外，水还可以通过电解为火箭提供氢燃料。另一个潜在热点区域是月球背面的赤道区，将来有一天可能会在那里安装大型射电望远镜。 除通信外，宇航员、月球车和科学仪器都需要知道其在月球表面所处的位置。中继卫星可作为一种“月球GPS”，通过计算多颗卫星之间的信号到达月球表面某一点所需的时间来进行导航。一般而言，中继卫星和轨道越多越好。相应的代价是发射和运行每一颗卫星都要花费大量金钱。因此，中继卫星网络要以最少数量的卫星提供尽可能好的服务和覆盖。

Argotec中继网络概念使用的一类稳定轨道，被称为冻结轨道。稳定的轨道可以使卫星更容易地在指定轨道上维持5年乃至更长的运行时间。建议轨道为椭圆形，运行周期为12小时，倾角为57度，与月球表面距离的最近点为720公里，最远点（称为远心点）为8090公里。 卫星在其轨道的远心点移动最慢，在最近点移动最快。因此，为提供长时间通信，我们希望轨道的远心点大致位于潜在热点区域上方。采用选定轨道，月球两极在94%的时间里都同时有3颗卫星覆盖，并且在任何给定时间至少有1颗卫星。同时，月球赤道上空在89%的时间至少有1颗卫星，79%的时间同时有3颗卫星覆盖。

即使在远心点，中继卫星距离月球表面也不到1万公里。相比之下，地球到月球的距离约为40万公里。即使对于地球直接视线内的用户，上空的中继卫星也可将通信链路距离缩短为1/40。 缩短通信距离意味着月球表面的人或机器人在维持与地球间的低数据率链接时，无须使用大型的通信终端。有了中继卫星，利用一个小型通信终端即可将信号传回地球。 此外，中继卫星还意味着位于月球表面不同位置的两个人可相互通话，且没有明显延迟。

如果没有中继卫星，通话必须往返地球，大约需要3秒钟。可以想象一下电话延迟3秒会多么难以接受，人们会很快意识到中继卫星对月球表面语音或视频通信的重要性。 不同的任务具有不同的通信需求。简单的文本或语音通信仅需要每秒几千比特的带宽，而高清视频和射电望远镜则需要每秒数兆比特。考虑到计划的月球任务数量，中继卫星需要同时处理多个通信。对于较低带宽的应用（如文本和语音），一颗卫星可收集汇总和中继转发多个数据流。另一方面，单个射电望远镜生成的高数据量就可能达到某个卫星容量的极限。  

美国国家航空航天局目前正在研究两种可部署在月球背面的射电望远镜。第一种为月球陨石坑射电望远镜（LCRT），这是一款由喷气推进实验室工程师提出的超长波射电望远镜。LCRT将以低于30兆赫的频率观测宇宙，该频率被地球电离层阻挡。机器人将在直径4千米的陨石坑中间部署一个直径1千米的金属丝网，创建反射式射电望远镜。LCRT将成为太阳系中最大的碟形射电望远镜。

第二种建议的望远镜用于对黑暗时代和系外行星进行无线电科学调查的背面阵列。法赛德阵列（FARSIDE）是一个低射频干涉阵列，通过多个天线观测遥远恒星和其他射电源。通过关联多项观察结果，FARSIDE可生成高分辨率源图像并准确地确定其位置。该系统将使用128个双极化天线，这些天线部署在直径约10千米的近乎圆形区域，并连接到中央处理和电源基站。此外，基站还可将所收集到的数据传输到中继轨道器（如我们建议的仙女座星座）。 FARSIDE能够每分钟对整个天空进行一次成像，频率从100千赫到40兆赫，这意味着和LCRT一样，FARSIDE可延伸到比地面射电天文学可观测范围更低的频段，频段低两个数量级。这两种望远镜都将产生大量需传输到地球的数据。  

中继卫星接收月球背面射电望远镜或月球表面任何其他设备的数据后，需要将数据发送到地球。在地球上，需要具有足够增益和灵敏度的大型天线，支持至少每秒100兆比特的链路。理想情况下，每个昂贵的地面天线都应能够同时接收来自多个中继卫星的信号，减少所需建造的天线数量。

NASA深空网络（DSN）就是所需地面网络类型的一个很好示例。DSN在全球范围内建造有3个天线复合基站，分别位于美国加州、澳大利亚和西班牙，每个站点都具有若干大型的高灵敏度天线。然而，DSN的设计旨在支持月球以外的深空探测任务，将其用于月球中继系统可能有些大材小用。此外，许多当前和计划任务对DSN都有很高的需求。因此，尽管这可能是一个不错的初步选择，但从长远来看，租赁或建造商业地面站会更便宜、更有效。

一个月球中继航天器要求仅为50或60千克，从卫星标准来看这属于小型航天器。我们开发了一个概念卫星，当太阳能电池板和天线收起时，其尺寸为44厘米×40厘米×37厘米，质量（包括推进剂）为55千克。该系统搭载喷气推进实验室开发的四信道无线通信设备，其中两个信道运行在K波段（约26千兆赫），还有两个信道运行在S波段（约2千兆赫）。一个K波段信道连接地球（卫星到地球链路速率为100兆比特/秒，地球到卫星链路速率为30兆比特/秒）；其他3个信道连接月球。S波段信道提供卫星到月球表面的64千比特/秒连接，以及月球表面到卫星的256千比特/秒连接。剩余K波段信道提供卫星到月球的16兆比特/秒链路以及月球到卫星的100兆比特/秒链路。

我们的卫星使用K波段进行地球-卫星连接，原因有二。首先，空间通信K波段的可用带宽比其他波段的要多；其次，对于同样尺寸的天线，K波段的天线增益更高。换句话说，K波段天线可以更有效地将所接收到的信号转化为电功率。使用K波段的不利因素在于其天气敏感性，例如，下雨很容易造成链路衰减。中继卫星需要额外的功率储备来保持链路稳定。 目前的通信卫星设计有3个天线：一个可转向的50厘米K波段天线，用于地球与卫星的通信；一个固定K波段“超表面”天线，具有低剖面、低质量，易于以低成本制造，并能耐受外层空间的恶劣环境；此外还有一个固定S波段天线阵列。我们还在考虑一种X波段（大约7千兆赫）的小型天线，用于地球与卫星的通信，增加额外的可靠性和冗余。这里X波段是很好的选择，尽管数据速率较低，但与K波段相比，不易受雨水影响而衰减。

 

我们目前正在完成航天器的设计。我们打算尽可能使用市场有售的硬件来降低成本。然而，我们仍然需要改进一些新技术，提供卫星所需的性能，同时满足质量和功率的要求。可3D打印的超表面天线是喷气推进实验室为小型卫星应用开发的新技术。可使用的2厘米发射天线，在32千兆赫时测得的各向同性增益超过32分贝。我们预计通过最近的设计改进可将增益提高到34分贝。我们还在研究双频功能，使天线能够同时发射和接收信号。

此外，我们希望使用更小、更轻便的软件定义的宇宙空间转发器无线通信设备（UST-Lite）。喷气推进实验室已经完成了对UST-Lite原型机的初步热测试，保证无线通信设备产生的热量可以消散而不会影响性能。我们进行了附加测试，更好地描述原型机的接收阈值、误码率、发射波形等。我们将继续优化接收器的参数，开发覆盖K波段的新模块。（目前已经开发了S波段和X波段模块。）  

另外，我们正在着手解决网络的软件需求。例如，对于中继卫星和月球用户之间S和K波段的通信，目前还没有协议标准。为此，我们已经开始与空间数据系统咨询委员会合作，引入这样一个标准。

可以这样理解，月球通信设备的目标是在整个月球打造类似5G的能力。这意味着要尽可能利用5G技术，例如在月球上安装蜂窝基站，以对中继装置进行补充。此方法可以将许多其他类型的设备连接到月球网络，例如，低功率物联网传感器网络和自动驾驶汽车。 我们的通信网络只是第一步。在更远的未来，人类在月球上将能够随意收发文本信息、拨打电话和传输数据。同样，机器人和传感器也会像地球上的物联网设备一样进行无线连接。机器人可实现远程控制，传感器可自动上传测量数据。

这样的月球通信愿景可能需要经过几代月球通信网络才能实现。但我们坚信，人类终有一天将在月球定居，在稳健的无线环境中从事科学、技术和商业活动。

作者：Alessandro Balossino、Faramaz Davarian  

审核编辑：黄飞