NASA深空网的改造计划及进展

NASA深空网的改造计划及进展

王天祥

（中国人民解放军装备学院，中国 北京 101416）

【摘要】详细介绍了美国的深空网增强计划及进展。

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关键词 深空网；天线组阵；测控

NASA Deep Space Network Aperture Enhancement Project and Progress

WANG Tian-xiang

(The Academy of Equipment, Beijing 101416, China)

【Abstract】This paper introduces the enhancement project plans of NASA DSN, and the current progress.

【Key words】Deep space network; Antenna array; TT &C

0引言

NASA的深空网(DSN)是一个覆盖全球的大型深空测控网，是同类型中唯一可以为几十个深空探测任务同时提供服务的系统。该网由喷气式实验室（JPL）开发并主管，是目前世界上最大、最灵敏的深空测控网。该网主要为NASA的深空探测器提供跟踪、数据获取和通信服务，并能执行雷达或射电天文观测项目，同时也能支持地球轨道卫星的测控任务。自建成以来，在无线电外测、雷达及射电天文、射电科学等方面取得了举世瞩目的成就[1]。

由于其70米天线建造于20世纪70年代[2]，寿命已经超过了40年，开始出现了退化的迹象，NASA担心以后该天线会不断出现故障，不能满足其未来深空探测任务需要，为此，NASA自2006年之后开始对其DSN实施改造。

1深空网面临的问题

DSN由设在白石、堪培拉和马德里三个深空站，以及加州帕萨迪那的控制中心、位于加州帕萨迪那附近和佛罗里达肯尼迪角的测试设施组组成[2]。每个深空站配备有1副70米天线、1副34米高效天线和多副34米波束波导天线，所有天线都具有S、X频段的发射、接收能力，以及L 频段的接收能力[3]。其中戈尔德斯顿的70米天线具备Ka频段接收能力；34m波束波导天线还能够成VLBI网，用于甚长基线干涉测量。

2006年6月，工程师在对马德里70米天线进行检测时，发现支持1,900吨天线的承座上存在裂缝，由于更换承座将使维护时间翻倍，同时在2007年1月之前都无法投入使用 [4]。由于当时很多探测任务需要使用该天线，比如当时刚到达火星并且正处于精细轨道调整阶段的环火星巡逻者、正在发回土星及其卫星大量探测数据的卡西尼探测器等。虽然DSN之最终利用多个34米天线够成组阵实现了70米天线获得信号的高传输率，但其中的一些任务为了适应34米天线，不得不降低了信号传输率，如卡西尼任务。

同时美国国会调查机构的政府问责办公室也公布了一份对DSN满足日益增长需求能力的报告[4]，报告中特别提出了DSN设备老化及任务增加可能会引起越来越多的问题，从而导致存在难以承受的科学数据丢失风险。

为此，其使用40多年的DSN设备面临的硬件老化，以及现有探测任务的延长、不断增加新探测器的任务等问题开始受到广泛关注。

2深空网改造计划及进展

由于其现有设备的老化，以及大天线维护和运行费用过于昂贵，不能有效满足NASA 未来任务对灵敏度和导航的需求，为此，NASA立足于现有DSN并充分利用其能力，对其DSN TT&C设备开始实施大范围升级和技术改造，在提高系统性能的同事，实现数据存取和交互支持的接口标准化。

实际上，为满足未来数传速率不断增加的要求，NASA自2002年就已经开始对其70米天线的替代方案进行研究，主要替代方案有建造34 m（或70 m）直径天线和建造大量12米天线的组阵[5]。2006年堪培拉70米天线承座出现问题后促使其加快了改造方案的选择，由于DSN跟踪的深空探测器队伍不断扩大，其34米波导天线对于保持通畅通信十分关键，NASA最后决定采用在每个深空站均采用4副34米天线组阵替代其70米天线的方案，如图1。

图14副34米天线等效1副70米天线

该组阵34米天线主要是利用现有20世纪90年代中期建造的34米波束波导天线[2-3]，并新增加该型天线实现。该类型天线优点主要表现在使用成型的主、副反射器增加孔径效率，通过调节反射器的精度即可工作在Ka频段，且电子设备均放置在地下室，只需要旋转底座中的椭圆反射面就能将微波能量对准地面上的多个前端设备之一，在更容易扩展到更高频率的同时，还能避免增加传统天线中卡塞格伦聚焦区的能量。该型天线的波导设计使得维护和未来升级更加容易的同时，还使用新结构和材料改善了G/T值。

其DSN改造计划共分三个阶段[6]：第一个阶段主要是在2010年前对其现有设备进行维护，延长70天线的寿命，同时Ka频段改造计划使其34m和70m天线具备Ka 频段遥测下行链路能力，使下行链路能力在原有基础上增加4倍，以满足其深空探测任务高速数传的需要；第二个阶段主要到2018年在堪培拉增加两个新一代的34米波束波导天线，于2010年12月正式启动，其中第一个天线DSS-35已经于2014年9月建成并投入使用，第一个天线DSS-36于2014年开工，计划于2016年建成，如图2；第三个阶段是到2025年，再增加4个波束波导天线，使每个深空站均拥有5个34米波束波导天线，各站天线配置如图3，从而实现用34米波束波导天线组阵替代所有70米天线，每个深空站所有天线均具有X波段上行发射能力，以及X、Ka波段下行接收能力，从而满足其未来深空任务探测需要。

(a)已建成投入使用的DSS35(b) DSS36施工现场

图2堪培拉新一代34米波束波导天线

图3DSN 各深空站2025年天线配置方案

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参考文献

［１］李平,张纪生.NASA深空网(DSN)的现状及发展趋势[J].飞行器测控学报,2003,22(4):10-17.

［２］Deep Space Network Aperture Enhancement Project (DAEP)[OL]. October 1, 2014. http://www.nasa.gov/directorates/heo/scan/services/networks/txt_daep.html.

［３］深空网[OL]. http://baike.baidu.com/link?url=O1mGJueh4SL7kfRWhghl2qmK46s5 b616nSsauDhN2hCpPi0QpZxJQ9OTpa53q9mc3OYZtPagNv7C3NvJu-C65a.

［４］谢懿.走近美国深空测控网[J].太空探索,2011(1):59-61.

［５］刘嘉兴.深空测控面临的挑战[J].载人航天,2009(2):42-48.

［６］Proposed DSN Aperture Enhancement Project Transition[OL]. October 5,2012. http://www.nasa.gov/directorates/heo/scan/services/networks/txt_daep_transition.html.

［责任编辑：汤静］