全球深空测控网一览(2020年版)

 

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作者:杨超

 

之前的博文曾提到过,像火星探测这样的深空探测计划,可大致划分为五大子工程,其中有两项子工程是密切相关的,就是测控系统地面应用系统(Ground Research & Application System,这是立项书中的子项目名称,简称 GRAS)。测控系统主要是追踪、遥测和控制探测器的飞行、入轨和降落等等。而地面应用系统主要完成接收探测器从遥远的太空发回的科学数据的信号,并解码后进行相关研究。这两大子工程的一大共同的关键就是大型天线。

在开展深空探测之前,我们对火箭发射过程和卫星的测控,只需要直径10来米的地面天线就绰绰有余了。这是因为,最远的地球同步卫星,距离地面约36000公里。但这10多米直径的天线,在嫦娥探月工程中就不太够用了,因为月亮距离地球为40万公里。于是,国家随着探月工程的开展,循序渐进的建设直径更大的天线。也就是说,深空探索的一个必不可少的基础设施就是大直径天线。随着今年7月我国的火星探测器成功发射,我国的大直径天线构成的深空网基本建成。火星距离地球最远可以达到4亿公里,比月亮又远了1000倍。如此远的距离,信号非常弱,因此需要非常大的天线才可以接收到探测器发回来的信号和数据,同时也需要发射非常大功率的信号给探测器。

目前各国在航天探测任务中使用的直径最大的天线在70米左右。一般30米以上的天线才能纳入深空观测网。

所以说,深空通信是一个大难题,目前我国已经成功解决这一重大工程难题。之前的一篇博文中,我们对全球火箭运力的对比中,得知以长征五号为代表的我国火箭运载能力是全世界第二,仅次于美国。而在2020年,随着我国火星探测器天问一号的启航,我们的深空网的测控和地面应用(即接收遥远的火星探测器传回的科学数据)水平,也达到全球第二。

下面,通过列举世界所有建立深空探测网的国家的硬件设施来说明这一点。

还有一点要先说明一下,因为一个天线覆盖略小于180度的天空,要构成深空网,对全天达到360度24小时全方位的覆盖,至少要在全球三个不同的地方部署三个天线。最理想的情况是按经度每120度一个。

因此,深空网与近地测控网因其要完成的任务需求不同,往往分开两个不同的独立网络。深空网一般要求30米以上的大直径天线,全球建立至少3个站点。而近地测控网则一般10来米的天线足矣,但是站点需要更多(因为近地,测控范围更小)。比如美国NASA,其深空网由位于加州的JPL负责管理。而其近地网(Near Earth Network,通常仅指地网)又分为地网(Ground Network,由全球约15个地面站组成,其中有一些甚至还是商业运营的地面站)和天网(Space Network,主要由地球同步的中继卫星组成)。天网和地网都由 Goddard Space Flight Center 管理。

全球深空网2020年(Deep Space Network 2020)排名如下:(基于网上可以搜索得到的公开资料,可能存在不甚准确之处)

一、美国NASA

以美国的军事和经济势力,NASA很早就已经建立了全球深空网。据NASA官网的介绍,早在1963年就正式建成,至今已经50多年了。三个主力站点分别位于美国本土加州 Goldstone,澳大利亚的Canberra,和西班牙的马德里(Madrid)附近。而且是比较接近完美的均匀120度分布。三个站都各有70米天线一个,另各有30-40米级别天线数个。三大站点合计30多个天线。见下面示意图,三大站点构成的深空网在近地(3万公里以内)轨道是有盲点的。但这往往是深空探测器的发射阶段,可由近地测控网负责。


NASA设在澳大利亚的 Canberra 站全景图:

 

美国在其巅峰时期建站太多,在和前苏联的太空竞赛告一段落之后,因为维护这么庞大的设备网络过于昂贵,不得不让一部分天线退役。

如:美国1961曾在南非建了一个26米天线,纳入其深空网络,编号 DSS-51(Deep Space Station 51),见下图。1975年,NASA把天线交还给南非管理,南非把它改造成一台射电天文望远镜,即现在的 Hartebeesthoek Radio Astronomy Observatory,简称 HertRAO。

 

又如:早在NASA成立之前,美军1957年就在南美智利首都圣地亚哥北郊建立了一个测控站,1958年美军把站点交给刚成立的NASA。后来NASA把该站交还给智利。2000年后,智利又把站点租给经营商业卫星测控的瑞典太空公司SSC(Swedish Space Corporation)。后来,我国也向智利政府租了一小块地,在瑞典SSC公司的测控站旁边也建了一个测控站(见下面卫星地图红圈处)。这个站点的天线直径不算大,主要用于火箭发射阶段和载人飞船等的测控任务,也可以作为深空测控的一个补充。

二、中国

刚踏进21世纪时,我国用于卫星测控的天线甚至都没有超过18米的。到了2020年,我国的深空网于已经初步建成,足以胜任独立完成天问一号火星探测的任务。可以预期我国的深空天线的建设还会进一步完善,以应对未来比火星更远的深空探测任务。

我国的三大深空站有两座位于我国的国土上。一座是东部的佳木斯站,另一座是西部的喀什站。此外,还有境外的阿根廷深空站。限于国力,我国的三大深空站的角度分布不如美国NASA平均,但也基本实现了对全天无死角覆盖。三大深空站由西安卫星测控中心管理,可能测控数据也同时连接北京航天飞行控制中心。

下面直接上图,看看深空站是多么的震撼。

(1)阿根廷站,35米天线,2017年建成

 

(点击图片看高清大图,图源见水印)

(2)佳木斯站,66米天线

 

(3)喀什站,35米×4 天线阵列

 

以上三大深空站主要用于测控,属于测控系统。

另外还有地面应用系统,而地面应用系统则主要由中国科学院系统负责。中科院有五大直属天文台(相当于研究所),分别是:国家天文台(含新疆天文台、云南天文台)、上海天文台和紫金山天文台。地面应用系统任务由中国科学院国家天文台承担,新建了四台大直径射电望远镜(其实基本上和天线是一回事),项目工程编号分别是GRAS-1、GRAS-2、GRAS-3和GRAS-4。

四个地面应用系统射电望远镜如下:

(1)北京密云,50米,GRAS-1

(2)昆明40米,GRAS-2,2006年建成

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3)北京密云,40米,GRAS-3(图见前面密云50米)

(4)天津武清,70米,GRAS-4,2020年底建成,刚好赶在天文1号抵达火星开展科学探测前启用。

此外,中国科学院和上海市联合出资建设的,2017年建成通过验收的上海65米天马射电望远镜亦可作为地面数据接收站的补充。

三、欧洲航天局ESA

为了不受制于NASA,欧洲航天局在2000年后也逐渐健全了其深空网络,属于ESA的ESTRACK测控网的一部分。三个主力站点分别为:西班牙站、澳大利亚站和阿根廷站(下图中三个有黄色标签标记的蓝色站点)。其中第三个深空站阿根廷 Malargue 站于2012-2013年期间建成,比我国略早几年完成了深空网的升级改造。三大深空站的角度分布比我国略优,更加平均一些。但各站均安置了35米天线,总体直径数据要逊于我国。

 

ESA对原有系统升级改造后(主要是新建35米天线)具有独立深空测控能力。

四、俄罗斯

64米的天线两个,都在莫斯科附近,一个在熊湖,已经坏了(见下卫星图,已经锈迹斑斑,还有几个大洞);另一个在 Kalyazin,在使用中,还参与到欧洲合作的火星探测器 ExoMars 2016 的测控任务中。

70米的天线也有两个。东边的乌苏里斯克(Ussuriysk)有一个70米。西边的乌克兰克里米亚的叶夫帕托里亚(Yevpatoria)也有一个70米,自2014年俄罗斯吞并克里米亚后,也属于俄罗斯了。

另外在前苏联解体前,在乌兹别克斯坦还在兴建一个70米的天线,因苏联解体未能完工。后来有报道乌兹别克和俄罗斯要联合继续修建,但也建建停停,进度非常缓慢,但至今还是一个烂尾工程,见下图。

 

 

 

 

 

由此可见,俄罗斯虽然有几个大直径的天线,都是继承前苏联的。但一是无法构成全天360度覆盖,二是不成系统,有的甚至年久失修坏掉了。此外,俄罗斯深空网的资料是本文撰写过程中收集难度最大的,从一个侧面也可以看出这些深空天线并非处于一个活跃的使用状态。基于这些原因,俄罗斯的深空网排在ESA之后,位居第四。

五、日本JAXA

日本在长野中部的臼田宇宙空间观测所拥有64米天线,于1984年建成,也快40年了。由此可见,我国深空探索事业起步迟,追赶到如今的水平有多不容易。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

另外在南部鹿儿岛的内之浦宇宙空间观测所有34米加20米两个较大直径天线。

总的来说,日本不具备独立深空测控能力,其深空任务需要美国 NASA 等机构协助。

六、印度ISRO

印度亦已经执行了火星、月球等深空探测任务,但其本国只拥有一个32米天线加一个18米天线用于深空,位于南部班加罗尔。和日本一样,其深空任务也依赖于 NASA 的深空网交换数据和控制。

总的来说,只有中、美、欧建成了完整的深空网,俄、日、印三国具备部分深空测控能力。除了以上六国(或超国家组织)以外,其他国家基本没有进行过独立的深空探测。值得一提的是,阿联酋今年略早于我国用日本的H-2A火箭成功发射了火星探测器EMM,但他们也似乎没有建自己的大型深空天线,完全借用 NASA 的深空网络来测控探测器。由下图可见,因为管理的深空任务很多,NASA的深空网业务还相当繁忙。

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