（哈尔滨工业大学通信技术研究所）

面向火星探测的中继通信星座设计

唐力群 杨明川 肖靖 刘晓锋 张中兆（哈尔滨工业大学通信技术研究所）

在深空通信中，传统的点对点通信方式已经不能满足远距离信息传输的要求。为给目标探测器提供更长时间的中继通信，针对火星目标探测器正常和应急特殊工作这2种不同的应用场景，分别设计了均匀覆盖和连续覆盖的火星中继星座。中继星座方案由1个轨道面内的3颗中继卫星组成，2个星座采用了不同的卫星相位间隔。利用卫星工具包（STK）软件在直达和中继2种通信方式下，对火星探测器和地面站的链路可见性进行了仿真分析。仿真结果表明，相比点对点通信方式，中继星座的通信链路可见时间增加了7h。这2种中继星座方案可以在探测器不同的工作场景时，给火星探测器提供更好的通信性能。

印度“曼加里安”火星探测器

1 引言

宇宙和星体的起源、地球以外是否存在生命以及生命的由来、宇宙未来如何演变等许多问题，都需要不断地深空探索来解答，而未来25年内，最终探索目标将一直是火星。进入21世纪，随着“火星奥德赛”（Mars Odyssey）、“火星快车”（Mars Express）、勇气号（Spirit）和机遇号（Opportunity）、“火星勘察轨道器”（MRO）、“凤凰”（Phoenix）等探测器或火星中继卫星相继成功探索火星，火星探测逐渐成为全球关注的焦点。2012年8月6日，好奇号成功降落在火星表面；2013年11月，印度将“曼加里安”（Mangalyaan）火星探测器发射升空，表明各国相继在火星探测上展开竞争。

在深空探测活动过程中，需要向地球返回大量科学探测数据。随着人类向外太空探索的脚步走的越来越远，远距离、高速率、大量的数据传输成为外太空探测的一个重大挑战。如果要进行数据传输，就要求目标探测器和地面站建立通信连接。火星目标探测器与地面站主要有2种通信方式：一种是目标探测器－地面站（点对点通信方式），另一种是目标探测器－中继卫星－地面站（中继通信方式）。点对点的传统通信方式已经很难保证像高清图像和视频这样的大量探测数据的及时传输，因此利用中继通信的方式传输各项数据和状态信息，达到增强数据传输的有效性将是一个非常有利的选择。例如美国航空航天局（NASA）和欧洲航天局（ESA）全力建设火星探测中继通信网，用以对各项火星探测任务进行通信服务和支持。从勇气号、机遇号开始，到2007年发射的“凤凰”探测器，再到2012年着陆的好奇号，都采用了中继通信，并且将成为今后火星探测着陆器通信的一种趋势。

因此，为了给火星目标探测器提供更长的通信时间，针对目标探测器正常工作和应急特殊工作这2种不同的应用场景，设计了2种基于火星探测的中继星座方案。

2 面向火星探测的中继通信星座设计

为了增加目标探测器的可见时间和传输速率，针对目标探测器正常和应急特殊工作这2种不同的应用场景，设计了均匀覆盖和连续覆盖2种不同的中继通信星座方案，以及针对特殊关键阶段，如进入、下降和着陆（EDL）阶段的应急方案。2种火星中继通信星座方案都是由1个轨道面的3颗卫星组成，为了针对不同的应用场景，3颗卫星的相位间隔不一样。

均匀覆盖的中继通信星座方案

该星座由1个轨道面的3颗均匀分布的卫星组成，轨道倾角为115.567°，轨道高度为3590km，相位间隔120°，这种分布方式与目标探测器的通信机会均等，利于周期性的工作计划。

连续覆盖的中继星座方案

连续覆盖的中继通信星座方案也是由1个轨道面的3颗卫星组成，但是为了实现对目标区域的连续覆盖，卫星在轨道面内不是均匀分布的，为了对目标探测器的覆盖时间首尾相连，需要更小的相位间隔，3颗卫星之间的相位差为76°，小于均匀覆盖的120°，在1个轨道平面内的间隔比较近，位置靠的更紧凑，因此可以在一段时间内对目标区域进行连续覆盖。其他的卫星轨道参数与均匀覆盖的中继星座的轨道参数一致。

对比均匀覆盖和连续覆盖的火星中继通信星座三维视图可知，连续覆盖的3颗火星卫星不是均匀分布，在该星座方案下，3颗卫星对目标区域的覆盖时间首尾相连，相比之下，其中连续可见的一段时间更长。当需要进行特殊情况下的中继通信时，比如应急通信，可以通过快速机动实现多颗中继通信卫星对目标区域的同时覆盖。

3 中继通信星座的链路可见性仿真与分析

均匀覆盖的中继通信星座卫星轨道参数

连续覆盖的中继通信星座卫星轨道参数

均匀覆盖的中继通信星座三维视图>

连续覆盖的中继通信星座三维视图

利用卫星工具包对无中继的点对点直接通信的链路，以及对2个中继星座的链路可见性进行了仿真，得到了探测器与地面站、探测器与中继卫星以及中继卫星与地面站的可见性。

探测器与地面站无中继直接链路可见性仿真

首先选择通信的对象。假设火星的目标探测器降落在盖尔陨坑附近，具体位置为火星的5.45°（S）、137.8°（E），地球地面站分别位于我国国土东西两端的喀什和佳木斯。仿真起始时间为2013年6月1日，为了简化仿真过程，假设探测器在仿真时间范围内位置保持不变。

由仿真结果可知，无中继时，探测器与佳木斯地面站可见时间为9.3h，与喀什地面站可见时间为5.4h，理论上探测器每天可以与国内地面站最长的可通信时间为9.3h。

喀什、佳木斯地面站和目标探测器的可见时间段仿真结果

目标探测器与均匀覆盖的中继通信卫星的可见时间段仿真结果

佳木斯、喀什地面站与均匀覆盖的中继通信卫星的可见时间段仿真结果

中继通信星座链路可见性仿真

选择与无中继通信时相同的仿真条件，即探测器和地面站的位置与上述情况一致，在卫星中继的情况下，仿真分析了喀什、佳木斯地面站与探测器的可见性。

由探测器与均匀覆盖的中继通信卫星的可见时间段仿真结果可知，探测器与均匀覆盖的中继通信卫星1天之内可见时间为7.6h。其中，每天的可见时间段的间隔较大，且每段可见时间大致相等，说明在这种中继通信方式下，中继通信卫星与目标探测器的通信机会均等，有利于周期性的计划。

由佳木斯、喀什地面站与均匀覆盖的中继通信卫星的可见时间段仿真结果可知，均匀覆盖的中继通信卫星与佳木斯地面站总的可见时间为13.4h，与喀什地面站总的可见时间为12.5h，中继卫星与国内地面站的最长可见时间为16.4h。其中，每颗卫星与地面的可见时长都相差无几，这是由于轨道平面选取较佳，没有被火星遮挡的缘故，可见时长约为总时长的68.3%。因为中继卫星能接收、存储目标探测器发送的信息，且目标探测器与中继卫星之间的通信速率远远高于直接与地面站的通信速率，从而可以认为这种情况下的可见性时长占总时长的68.3%。

由探测器与连续覆盖的中继通信星座卫星的可见时间段仿真结果可知，探测器与连续覆盖的中继通信卫星1天之内可见时间为8.2h。1天之中，每段可见时间段几乎首尾相连，与均匀覆盖的中继通信星座相比，持续可见时间更长，可以对目标区域进行长时间的连续覆盖，适用于紧急情况下的中继通信。

无中继和2种中继通信星座的链路可见性能

目标探测器与连续覆盖的中继通信星座卫星的可见时间段仿真结果

喀什、佳木斯地面站与连续覆盖的中继通信星座卫星的可见时间段仿真结果

对比喀什、佳木斯地面站与均匀覆盖和连续覆盖的中继通信卫星的可见时间段可知，由于中继通信卫星与地面站之间的距离十分遥远的缘故，在地面站与中继通信卫星之间的链路可见性方面，两者性能一致。这种方式下，国内地面站与中继通信卫星的可见时间也为16.4h，占总时长的68.3%。

由探测器与连续覆盖的中继通信星座卫星的可见时间段仿真结果可知，探测器与连续覆盖的中继通信卫星1天之内可见时间为8.2h。1天之中，每段可见时间段几乎首尾相连，可以对目标区域进行连续覆盖。

对比佳木斯、喀什地面站与均匀覆盖和连续覆盖的中继通信星座卫星的可见时间段仿真结果可知，在地面站与中继通信卫星之间的链路可见性方面，两者性能一致。这种方式下国内地面站与中继通信卫星的可见时间也为16.4h，占总时长的68.3%。

通信链路可见性仿真结果对比与结论

通过对无中继和以火星卫星为中继的2种通信方式的链路可见性仿真结果分析可知，连续和均匀覆盖中继通信星座这2种中继方案在与地面站建立通信时几乎没有差异，然而在与火星探测器到地面站通信时却各具特点。

无中继时，1天之中火星探测器与地面站的可见时间为9.3h。通过设计覆盖火星的中继星座，可以将与地面站的通信时间增加到16.4h，大大增加了传输数据的时间。虽然中继通信卫星与火星探测器的可见时间有所减少，但是火星中继通信卫星能存储目标探测器发送的信息，且目标探测器与火星中继通信卫星间的通信速率远远高于直接与地球的通信速率，因此增加了中继通信卫星与地面站的通信时间，可以大大提高探测器的通信性能。

3 结论

在此，本文介绍了均匀覆盖和连续覆盖2种面向火星探测的中继通信星座设计方案。均匀覆盖星座具有最长的覆盖时间，通信机会均等，利于周期性计划；连续覆盖星座覆盖时间首尾相连适用于应急情况。仿真结果表明，相比点对点直接通信方式，利用中继星座进行通信的方式，使通信链路的可见时间增加了7h左右。这2种中继星座方案在不同的应用场景工作的基础上，提高了火星探测器与地面站的通信时间，可以给登陆火星的探测器提供更好的中继性能。