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嫦娥七号将着陆月球南极,喜鹊号中继实现月地通信,其速率有多高?

2020-08-28 16:47:43 综合报道 阅读:
我国的探月工程四期计划嫦娥七号任务将实现在月球南极着陆,开展极区环境与资源勘查,并且拟对嫦娥七号的主要载荷采用择优原则进行工作。那么,在嫦娥系列中怎样实现地月通信,对嫦娥进行测控呢,其通信速率又有多高?

我国的探月工程四期计划嫦娥七号任务将实现在月球南极着陆,开展极区环境与资源勘查,并且拟对嫦娥七号的主要载荷采用择优原则进行工作。那么,在嫦娥系列中怎样实现地月通信,对嫦娥进行测控呢,其通信速率又有多高?Tvyednc

据中国探月工程官方微博消息,根据探月工程四期总体安排,嫦娥七号任务将实现在月球南极着陆,开展极区环境与资源勘查。为充分发挥各方优势,瞄准国际先进水平,提升科学成果原创性,确保科学与应用目标圆满实现,拟对嫦娥七号任务部分主要载荷开展竞争择优工作。Tvyednc

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嫦娥七号

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首先我们简单了解嫦娥七号。Tvyednc

这是一艘集合5大任务舱段的大型登月飞船,对比嫦娥四号体量至少大出将近3倍,分别由轨道器、中继星、落月器、巡视器、飞越器组成,它们将在月球上空上演一幕天女散花Tvyednc

嫦娥七号为什么要降落南极?Tvyednc

因为月球南极蕴含大量水冰资源。自嫦娥五号之后我国后续月球探测活动都将聚焦月球南极区域,主要是因为这里有极昼区域,不用过多考虑月夜极低温带来的严酷考验,同时南极陨石坑永夜区中有大量水冰,是未来深度开发月球的基础性资源。Tvyednc

嫦娥七号将发挥中流砥柱作用,计划在月球南极,对月球的地形地貌、物质成分、空间环境进行一次综合探测任务。Tvyednc

嫦娥7号抵达环月轨道后落月巡视器组合体分离,尔后中继星分离进入中继服务轨道,落月巡视器进入下降轨道后在中继星支持下开始着陆月球南极,抵达月面后巡视器与落月器分离,尔后月球上空的轨道器与飞越器分离,尔后飞越器采用惯性弹道方式对月球南极陨石坑永夜区进行抵近探测,进一步掌握水冰资源分布情况。Tvyednc

中继卫星

嫦娥七号实现月地通信最重要的一环是通过中继卫星。Tvyednc

得益于嫦娥探月1.0阶段打下的平台基础,嫦娥7号有着很多现成的货架产品可供使用。比如轨道器直接继承嫦娥五号轨道器,作为飞船轨道机动的服务舱,落月器也可以直接继承嫦娥三号/四号落月器。嫦娥七号的中继卫星便是采用嫦娥四号登月计划中的鹊桥号中继卫星。Tvyednc

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鹊桥号中继星设计寿命达到了10年标准。轨道器将作为长期对月球全球观测的前哨站,类似美国NASA如今正在月球上运行的LRO月球勘测轨道器,中继星十年寿命则是进一步考虑到下一步嫦娥八号乃至载人登月的信号中继服务考虑。Tvyednc

鹊桥号中继原理

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这是嫦娥四号中启用的鹊桥号中继卫星原理Tvyednc

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鹊桥与月地构成三角中继通信Tvyednc

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俄罗斯月球-26号来帮忙

俄罗斯航天机构看到规模如此宏大的嫦娥7号探月飞船也忍不住要来帮帮场子,2019年9月前后,双方正式敲定嫦娥7号与俄月球-26号绕月卫星协作探月的方案,由于嫦娥7号要登陆的是月球南极区域,有中继通信需求。Tvyednc

诚然嫦娥7号自身就携带有寿命长达10年的中继星,但月球南极中继通信没有地月引力平衡轨道可供使用,也就无法实现一颗中继星完成不间断测控服务的要求,所以针对南极的登月任务中继星越多测控覆盖时段就越长,如果再次选择月球背面南极区域,那么中继通信要求就更高。Tvyednc

不过即便没有月球-26号,嫦娥-7号也能独立完成一系列探月任务Tvyednc

鹊桥号工作现状

从嫦娥四号开始,增加了中继通信卫星鹊桥号,目前工作稳定。Tvyednc

鹊桥连线Tvyednc

在距离月球约6.5万公里的地月拉格朗日L2点,嫦娥四号中继星“鹊桥”以每秒1公里的速度飞行,为嫦娥四号着陆器、巡视器与地面站提供测控与数据传输。Tvyednc

“鹊桥”中继星承担着3项重任:Tvyednc

负责把着陆器和巡视器获取的科学数据传回地球;Tvyednc

通过中继通信链路提供着陆器和巡视器的测控支持;Tvyednc

在完成通信中继任务的同时,中继星上还携带低频射电探测仪、激光反射镜等科学技术试验载荷,开展科学探测和新技术试验。Tvyednc

“鹊桥”上天架起了地月之间的通信桥梁,还牵起国际空间合作的红线。“鹊桥”中继星上配置的荷兰低频射电探测仪,是目前距离地球最远、可长期工作的空间射电天文台;哈尔滨工业大学环月微卫星“龙江二号”上的沙特微型成像相机在轨期间累计完成30次成像,成功获取了清晰的月球雨海局部影像图,包含波斯湾、红海、地中海、阿拉伯半岛等区域的地月合影等多幅科学探测影像;中方团队与荷兰、德国合作伙伴拍摄的“最美地月合影”照片在英国《独立》报和美国《科学》杂志上刊发,引起广泛关注。Tvyednc

在轨运行一年后,“鹊桥”中继星运行良好,据“鹊桥”中继星总设计师张立华介绍,当前中继星需定期进行在轨维护,每次维护需要消耗80克燃料,预计卫星还有10年寿命。Tvyednc

鹊桥中继卫星是嫦娥四号首次启用。Tvyednc

嫦娥四号

2019年1月3日,嫦娥4号成功在月球背面着陆,继嫦娥3号后,再度实现了登月。Tvyednc

嫦娥4号是嫦娥3号的姐妹星,着陆器以及巡视器(玉兔号)是类似的,只是为了解决在月球背面着陆的问题,所以增加了一颗中继通信卫星:鹊桥号。Tvyednc

我们先从嫦娥3号的玉兔号说起。Tvyednc

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来自知乎网友@孙宇彤给出了玉兔号和鹊桥号的基本数据Tvyednc

玉兔号数据

玉兔号使用UHF以及X波段两个频段工作。Tvyednc

玉兔号UHF为415MHz,采用5dBi天线,只有上行,也就是从玉兔号发到嫦娥3号着陆器。Tvyednc

玉兔号与地球联系采用X波段,两组天线:7.2GHz用于地球发往玉兔,接收天线增益为5dBi;8.4GHz用于玉兔发往地球,发射天线增益27dBi,最大发射功率为2W。Tvyednc

玉兔号的发射天线为抛物面天线,直径39cm;相对的,地面测控站的抛物面天线直径达66米,天线增益为70dBi以上。Tvyednc

玉兔号测算结果Tvyednc

知道了基本数据后,我们可以计算月地通信的峰值速率。Tvyednc

月地距离384000千米,测算得到8.4GHz的路径损耗约为223dB。考虑到玉兔号的最大发射功率为2W,其他损耗为3dB,由于天线的总增益为97dBi,则地面接收到的玉兔号最大信号强度为-96dBm。Tvyednc

根据香农公式,通信的峰值速率由比特信噪比Eb/N0决定,而比特信噪比与设备的工作温度以及工作带宽有关。Tvyednc

假定接收设备工作在100K(-173摄氏度),如果通信带宽为300kHz,Eb/N0可达26dB,采用64QAM的调制方式,峰值速率可达1.8Mbps;即使采用BPSK的调制方式,峰值速率也可达300kbps。Tvyednc

如果通信带宽为1.28MHz,Eb/N0可达20dB,同样采用64QAM的调制方式,峰值速率为7.68Mbps;即使采用BPSK的调制方式,峰值速率也可达1.28Mbps。Tvyednc

当然通信带宽越大,玉兔号的能耗越大。Tvyednc

总之,在理想情况下,玉兔号与地球的通信可达到3G网络的水平。Tvyednc

鹊桥号数据

由于嫦娥4号在月球背面着陆,无法与地球直接联系,因此需要有中继卫星来搭桥,这就是鹊桥号。Tvyednc

鹊桥号围绕着地月的拉格朗日点L2运行,确保可以同时与地球和月球背面通信。Tvyednc

鹊桥号与月球上的嫦娥4号着陆器和玉兔2号的最大距离约为80000km,与地球的距离大概是450000km。Tvyednc

对嫦娥4号着陆器和玉兔2号来说,鹊桥号相当于把地球上的66米天线搬到了太空。当然,由于距离近得多,因此天线的直径不需要那么大,以方便发射。Tvyednc

当然,由于距离仍有80000km,因此天线也不能太小,最后定为直径4.2米。Tvyednc

玉兔2号速率

知道了基本数据后,我们可以计算玉兔2号与鹊桥号的峰值速率。Tvyednc

鹊桥号的天线在X波段增益大约为45dBi,玉兔2号的天线增益与玉兔1号相同,也是25dBi。Tvyednc

8.4GHz的信号在80000km时,路径损耗约为209dB。考虑到玉兔号的最大发射功率 为2W,有效输出1W。Tvyednc

假定鹊桥号的工作温度为290K,在300kHz带宽下,鹊桥号最高的Eb/N0将是10dB,最高可采用QPSK的调制方式,峰值速率可达600kbps;即使采用BPSK的调制方式,峰值速率也可达300kbps。Tvyednc

如果通信带宽为1.28MHz,Eb/N0可达4dB,这时最高采用BPSK的调制方式,峰值速率为可达1.28MbpsTvyednc

实际数据

根据“嫦娥4号”月球背面软着陆任务设计一文的介绍,着陆器峰值速率560kbps、玉兔2号峰值速率280kbps,采用BPSK的调制方式。Tvyednc

可见是通信带宽限制了玉兔2号通信速率的提升。至于为什么玉兔2号选择较小带宽,也许与能耗控制相关,具体情况就不得而知了。Tvyednc

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结语

月地通信不在于速率高低,对于嫦娥的测控需要稳定可靠的卫星链路。当然高速率数据传输会有其他的通道进行。Tvyednc

 Tvyednc

最后,我们来两道高中题,供大家“温习”:Tvyednc

2018年5月21日,我国中继星“鹊桥号”发射升空,为“嫦娥四号”登录月球背面进行探测提供地月间的通信联系。完成下列各题。Tvyednc
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【小题1】登录月球背面的探测器需要中继星转发信号才能将数据传输到地球,其原因主要是:Tvyednc

A.距离地球过于遥远 B.受太阳活动的干扰
C.月球引力过于强大 D.受月球本体的阻挡

【小题2】“鹊桥号”中继星获取探测器信息并传回地球,所应用的地理信息技术是Tvyednc

A.RS B.AR C.GIS D.GPS

 Tvyednc

责编:ChalleyTvyednc

  • 当然通信带宽越大,玉兔号的能耗越大。
    总之,在理想情况下,玉兔号与地球的通信可达到3G网络的水平。

    中方团队与荷兰、德国合作伙伴拍摄的“最美地月合影”照片在英国《独立》报和美国《科学》杂志上刊发,引起广泛关注。


    有多少中国人关注《独立》和《科学》?

    英国和美国好像是很关注香港吧?
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