一种适用于火卫一探测任务的深空通信系统技术方案

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于火卫一探测任务的深空通信系统
本专利技术属于深空探测
，具体地涉及一种适用于火卫一探测任务的深空通信系统。
技术介绍
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8kb/s左右,奥德赛轨道器与地球的带宽也仅为256kb/s。
技术实现思路
为了解决现有火卫一探测任务所面临的不能全周期持续通信、设备天线口径大、发射功率高、地面设备需全球多点布局而导致易受地缘政治影响和行星间通信速率有限的问题，本专利技术目的在于提供一种适用于火卫一探测任务的新型深空通信系统。本专利技术所采用的技术方案为：一种适用于火卫一探测任务的深空通信系统，包括探测器、火星极地卫星、绕日轨道星座、同步轨道星座和地球地面站；所述探测器在火卫一的准同步轨道上围绕所述火卫一公转，所述火星极地卫星在火星的极地轨道上围绕所述火星公转，所述绕日轨道星座包括有至少三颗在绕日公转轨道上围绕太阳公转的且环向等间距布置的绕日公转卫星，所述同步轨道星座包括有至少三颗在地球同步轨道上围绕地球公转的且环向等间距布置的地球同步卫星，其中，所述火星极地卫星的公转周期为所述火卫一的公转周期的两倍，所述绕日公转轨道位于地球公转轨道与火星公转轨道之间；所述探测器与所述火星极地卫星的相对运动初始条件满足：所述火卫一经过火卫一公转轨道与所述极地轨道的所在平面的第一交点，所述火星极地卫星也经过所述极地轨道与所述火卫一公转轨道的所在平面的第二交点，所述第一交点和所述第二交点分别位于所述火星的同一侧；所述探测器通过建立的分米波通信链路与所述火星极地卫星交互上下行数据，所述火星极地卫星通过建立的第一激光波通信链路与所述绕日公转卫星交互所述上下行数据，所述绕日公转卫星通过建立的第二激光波通信链路与所述地球同步卫星交互所述上下行数据，所述地球同步卫星通过建立的Ku波通信链路与所述地球地面站交互所述上下行数据，其中，所述上下行数据包含有向所述探测器发送的上行遥控数据和向所述地球地面站发送的下行探测数据。基于上述
技术实现思路
，提供了一种可针对火卫一探测任务实现全周期持续通信目的的新型深空通信系统，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。此外，所述深空通信系统还具有设备天线尺寸小、发射功率低、卫星体积重量小、卫星发射成本低、卫星使用寿命长、无需全球多点布站、可规避海外地缘政治影响和全链路通信速率高等特点，便于实际应用和推广。在一个可能设计中，在所述火卫一的本地旋转坐标系OXYZ中，O点表示所述火卫一的质心，X轴正向在所述火卫一处于近火星点和远火星点时分别指向所述火星的质心，Z轴正向指向所述火卫一的公转角动量方向，Y轴服从右手定则；在所述本地旋转坐标系OXYZ下，所述探测器在所述准同步轨道上的相对运动方程表示如下：式中，表示所述探测器的相对加速度，表示所述火星对所述探测器的引力加速度，表示所述火卫一对所述探测器的引力加速度，表示所述火星对所述火卫一的引力加速度，表示所述火卫一的自转角速度，表示从O点至所述探测器的位置矢量，表示时间，表示所述火卫一自转导致的牵连加速度，表示科式加速度，表示从O点至所述探测器的初始位置矢量，表示所述探测器在初始位置时的X轴正向取值且介于30～33千米之间，表示所述探测器在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于火卫一探测任务的深空通信系统，其特征在于：包括探测器（1）、火星极地卫星（2）、绕日轨道星座、同步轨道星座和地球地面站（5）；/n所述探测器（1）在火卫一（100）的准同步轨道上围绕所述火卫一（100）公转，所述火星极地卫星（2）在火星（200）的极地轨道上围绕所述火星（200）公转，所述绕日轨道星座包括有至少三颗在绕日公转轨道上围绕太阳（300）公转的且环向等间距布置的绕日公转卫星（3），所述同步轨道星座包括有至少三颗在地球同步轨道上围绕地球（400）公转的且环向等间距布置的地球同步卫星（4），其中，所述火星极地卫星（2）的公转周期为所述火卫一（100）的公转周期的两倍，所述绕日公转轨道位于地球公转轨道与火星公转轨道之间；/n所述探测器（1）与所述火星极地卫星（2）的相对运动初始条件满足：所述火卫一（100）经过火卫一公转轨道与所述极地轨道的所在平面的第一交点，所述火星极地卫星（2）也经过所述极地轨道与所述火卫一公转轨道的所在平面的第二交点，所述第一交点和所述第二交点分别位于所述火星（200）的同一侧；/n所述探测器（1）通过建立的分米波通信链路与所述火星极地卫星（2）交互上下行数据，所述火星极地卫星（2）通过建立的第一激光波通信链路与所述绕日公转卫星（3）交互所述上下行数据，所述绕日公转卫星（3）通过建立的第二激光波通信链路与所述地球同步卫星（4）交互所述上下行数据，所述地球同步卫星（4）通过建立的Ku波通信链路与所述地球地面站（5）交互所述上下行数据，其中，所述上下行数据包含有向所述探测器（1）发送的上行遥控数据和向所述地球地面站（5）发送的下行探测数据。/n...

【技术特征摘要】
1.一种适用于火卫一探测任务的深空通信系统，其特征在于：包括探测器（1）、火星极地卫星（2）、绕日轨道星座、同步轨道星座和地球地面站（5）；
所述探测器（1）在火卫一（100）的准同步轨道上围绕所述火卫一（100）公转，所述火星极地卫星（2）在火星（200）的极地轨道上围绕所述火星（200）公转，所述绕日轨道星座包括有至少三颗在绕日公转轨道上围绕太阳（300）公转的且环向等间距布置的绕日公转卫星（3），所述同步轨道星座包括有至少三颗在地球同步轨道上围绕地球（400）公转的且环向等间距布置的地球同步卫星（4），其中，所述火星极地卫星（2）的公转周期为所述火卫一（100）的公转周期的两倍，所述绕日公转轨道位于地球公转轨道与火星公转轨道之间；
所述探测器（1）与所述火星极地卫星（2）的相对运动初始条件满足：所述火卫一（100）经过火卫一公转轨道与所述极地轨道的所在平面的第一交点，所述火星极地卫星（2）也经过所述极地轨道与所述火卫一公转轨道的所在平面的第二交点，所述第一交点和所述第二交点分别位于所述火星（200）的同一侧；
所述探测器（1）通过建立的分米波通信链路与所述火星极地卫星（2）交互上下行数据，所述火星极地卫星（2）通过建立的第一激光波通信链路与所述绕日公转卫星（3）交互所述上下行数据，所述绕日公转卫星（3）通过建立的第二激光波通信链路与所述地球同步卫星（4）交互所述上下行数据，所述地球同步卫星（4）通过建立的Ku波通信链路与所述地球地面站（5）交互所述上下行数据，其中，所述上下行数据包含有向所述探测器（1）发送的上行遥控数据和向所述地球地面站（5）发送的下行探测数据。


2.如权利要求1所述的深空通信系统，其特征在于：在所述火卫一（100）的本地旋转坐标系OXYZ中，O点表示所述火卫一（100）的质心，X轴正向在所述火卫一（100）处于近火星点和远火星点时分别指向所述火星（200）的质心，Z轴正向指向所述火卫一（100）的公转角动量方向，Y轴服从右手定则；
在所述本地旋转坐标系OXYZ下，所述探测器（1）在所述准同步轨道上的相对运动方程表示如下：



式中，表示所述探测器（1）的相对加速度，表示所述火星（200）对所述探测器（1）
的引力加速度，表示所述火卫一（100）对所述探测器（1）的引力加速度，表
示所述火星（200）对所述火卫一（100）的引力加速度，表示所述火卫一（100）的自转
角速度，表示从O点至所述探测器（1）的位置矢量，表示时间，
表示所述火卫一（100）自转导致的牵连加速度，表示科式加速度，表示从O点
至所述探测器（1）的初始位置矢量，表示所述探测器（1）在初始位置时的X轴正向取值且
介于30～33千米之间，表示所...

【专利技术属性】
技术研发人员：庞立新，李杰，段毅，李晶晶，丁广林，闫文凯，
申请(专利权)人：亚太卫星宽带通信深圳有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44