第1章 绪论
　　深空探测是对月球和月球以远的天体或空间环境进行的探测活动。1988年以后，国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）把深空探测定义为对200万km以远的天体或空间环境进行的探测。目前，这两种定义方法都在应用。
　　深空探测是人类探索宇宙奥秘和寻求长久发展的必然途径，是衡量一个国家综合国力和科学技术发展水平的重要标志。开展深空探测活动能够有效带动空间技术、空间科学和空间应用的大发展，促进对太阳系及宇宙的起源与演化、太阳及小天体活动对人类生存环境的灾害性影响、地外生命信息探寻等重大科学问题的研究，为人类可持续发展服务[1-2]。
　　1.1 深空探测活动进展
　　1957年苏联发射第一颗人造地球卫星后仅3年，苏联和美国即竞相发射深空探测器，拉开了人类探测太阳系的序幕。自1960年3月美国发射世界上第一颗深空太阳探测器先驱者5号（Pioneer5），至2011年11月俄罗斯发射福布斯-土壤（Phobos-Grunt）火星卫星探测器，世界主要航天大国和组织共实施深空探测任务120次，成功或部分成功73次，失败43次，4次尚在飞行途中，成功率为61%，两探测器如图1-1所示。
　　图1-1 先驱者5号深空太阳探测器（左）和福布斯-土壤火星卫星探测器（右）
　　五十余年的深空探测发展历程，大致可以分为“竞争期”、“平静期”和“成熟期”三个阶段。1960—1979年是美、苏两国在冷战背景下以相互展示意志和能力为特征的“竞争期”，20年间共实施68次任务，虽然失败34次，但两国空间技术和空间科学能力得到了飞速发展。1980—1994年是深空探测活动的“平静期”，美、苏此时都致力于空间科学数据的分析和消化，在此期间日本和欧洲空间局（European Space Agency，ESA）相继加入了深空探测行列，但15年间仅实施16次任务。1995—2012年是以科学探索为主要驱动力开展深空探测活动的“成熟期”，17年间共实施了36次任务。不同时期深空探测活动统计如图1-2所示。
　　图1-2 不同时期深空探测活动统计图
　　迄今为止，仅有美国、苏联/俄罗斯、日本和欧洲空间局独立开展了深空探测活动。美国*早开始实施深空探测任务，是目前唯一对太阳、七大行星、小天体和太阳系以外宇宙空间都开展过探测活动的国家；苏联/俄罗斯曾发射过多个探测器，但成功率较低，自1996年火星96号（Mars96）任务失败后，至今再未发射深空探测器；日本虽在行星探测方面受挫，却在小天体探测方面取得了较大成功；欧洲空间局发射次数虽少，但全部取得成功或取得部分成功，在较短时间内达到了很高的水平。世界各国和组织深空探测活动统计如图1-3所示。
　　图1-3 世界各国和组织深空探测活动统计图
　　人类已开展的深空探测活动已基本覆盖太阳系各类天体，如太阳、七大行星及其卫星、矮行星、小行星和彗星等，实现了飞越、撞击、环绕、软着陆、巡视和采样返回等多种探测方式。探测的重点集中在火星、金星、太阳和小天体，不同天体探测活动统计如图1-4所示。
　　图1-4 不同天体探测活动统计图
　　需要指出的是，金星探测主要集中在20世纪六七十年代，1990年之后仅实施过2次。此外，近年来美国和欧洲空间局相继开始了对太阳系以外宇宙的天文观测。
　　1.1.1 太阳探测
　　太阳作为太阳系的主宰，对人类生存环境的影响非常巨大，也是深空探测的重点目标。在深空任务中，对太阳的探测，主要采用太阳环绕轨道观测和日地拉格朗日点L1晕轨道观测两种方式。早期美国的先驱者（Pioneer）系列、太阳神（Helios）1号和太阳神2号，主要采用太阳环绕轨道对太阳风和太阳磁场等进行探测。1990年美国和欧洲空间局合作发射了尤利西斯（Ulysses）太阳探测器，第一次成功实现了太阳近极轨道（倾角70°）的探测[4]。此外，在日地拉格朗日点L1对太阳进行长期观测的主要有国际日地探险者（ISEE-3）等5颗探测器，其中起源号（Genesis）探测器成功采集到了太阳风粒子并返回地球[5-9]。2006年美国还发射了日地天文台（STEREO）探测器，采用双星对太阳开展立体观测，*次从地球轨道以外位置提供太阳的三维视图[10]。
　　1.1.2 以火星为主的行星探测
　　1）火星探测
　　和其他行星比较而言，火星的自然环境与地球较为相似，是目前人类认识*深入的类地行星。人类已先后发射40颗火星探测器，实现了飞越、环绕、着陆和巡视探测。50余年的火星探测历程从探测方式上大致可分为两个阶段。第一阶段是以美国和苏联为主的国家对火星的初期探测，主要采用飞越、环绕和硬着陆的方式，获得了大量关于火星大气、地形地貌等方面的科学数据。第二阶段是在20世纪90年代后，主要是美国先后实施了11次火星任务，成功8次，实现了软着陆和火星车巡视探测。其中，具有代表性的机遇号（Opportunity）、勇气号（Spirit）在火星表面进行了长期巡视探测[11-12]，凤凰号（Phoenix）则成功实现了火星极地软着陆，发现了大量水冰的存在[13]。2011年底发射的火星科学实验室（MSL），即好奇号（Curiosity）火星车，全部采用核电源、空中吊车式软着陆方式，再次开展火星巡视探测。2011年底俄罗斯发射的福布斯-土壤火星卫星探测器，由于故障未能进入地火转移轨道。此外，欧洲空间局和日本也对火星探测进行了尝试。
　　2）金星探测[14]
　　金星是距离地球*近的类地行星，其环境恶劣，表面大气压约为地球的90倍，表面温度高达400℃。人类先后对金星进行了40次探测，成功19次，实现了飞越、撞击、环绕和8次软着陆，着陆器在金星表面工作寿命*长仅127min。*有代表性的是1989年美国发射的麦哲伦号（Magellan）金星轨道器，获得了较为完整的金星引力场和地形地貌数据[15]。自1990年以后，仅欧洲空间局和日本实施过金星探测。
　　3）水星探测
　　在八大行星中，水星质量*小，距太阳*近。到目前为止，只有美国对其开展过探测活动。水手10号（Mariner10）探测器于1974年和1975年对水星进行过飞越探测，获得了水星大气成分和磁场分布等数据。为了进一步认识了解水星的内部结构等，美国2004年发射了信使号（Messenger）水星轨道器[16-17]，它在飞行约7年后，于2011年3月成功入轨。
　　4）巨行星探测
　　巨行星包括木星、土星、天王星和海王星。木星是太阳系中*大的行星。目前，人类对木星进行了5次飞越探测和1次轨道器探测，1次尚在飞行途中。1989年美国和西德联合发射了伽利略号（Galileo）轨道探测器，对木星及其卫星的化学成分和物理状态进行了探测，证实了木卫二、木卫三表面覆盖着冰层[18]。2011年8月发射的朱诺号（Juno）轨道探测器预计2016年到达木星，对木星大气成分、磁场和重力场等开展为期至少一年的研究。
　　土星是太阳系内第二大行星，美国发射的先驱者11号（Pioneer11）等三次任务，对土星进行了飞越探测。1997年美国和欧洲空间局联合发射的卡西尼-惠更斯（Cassini-Huygens）探测器*次对土星及其卫星开展了环绕探测[19-20]。2004年，卡西尼与惠更斯分离，卡西尼继续环土星轨道探测，惠更斯则成功着陆在土卫六表面。
　　巨行星探测主要采用飞越探测，少部分实现了环绕探测。由于探测距离遥远，飞行时间长，所以对探测器的寿命、自主控制和测控通信要求很高。由于距离太阳遥远，探测器一般采用核电源。
　　1.1.3 小天体探测
　　一般认为，小行星和彗星等小天体保存着太阳系早期形成的原始信息，可作为研究太阳系起源与演化的证据。迄今各国共实施过12次探测任务，成功8次，3次尚在飞行途中[21-23]。*有代表性的一是美国2004年发射的星尘号（Stardust）*次实现了彗发物质的取样返回[24-26]；二是日本2003年发射的隼鸟号（Muses-C）在经历多次故障后，对系川（Itokawa）小行星进行了采样，并于2010年6月成功返回地球[27-28]。
　　1.2 深空探测活动未来发展
　　进入21世纪以来，各主要航天大国和组织都制定了20年乃至更长的深空探测发展规划，如图1-5所示。重点集中在火星、太阳和小天体探测，美国和欧洲空间局均计划在2035年前后实现载人火星探测。
　　图1-5 国外深空探测活动规划
　　深空探测未知因素很多，上述计划在执行的过程中由于技术、经费等因素的影响，会有调整、延迟或改变。但是，深空探测的总趋势不会发生大的变化。
　　1.2.1 美国
　　美国针对太阳、火星和小行星探测分别制定了相应的规划，具体如下[29-30]。
　　1）太阳探测
　　计划于2015年发射太阳探针（Solar Probe Plus）[31]，通过7次金星借力实现距太阳表面约700万km的近距离探测。为太阳日冕加热机制、太阳风的形成和演变等问题的研究提供科学数据。此外，2017年还将发射太阳前哨站（Solar Sentinel），利用三组六颗探测器探测太阳能量粒子的加速与传播机制以及日冕物质的喷发机制等。
　　2）火星探测
　　计划于2013年发射MAVEN火星环绕探测器，增强火星中继能力。2016年以后，与欧洲空间局合作开展若干次火星着陆与巡视探测实验，为2025年实现火星取样返回作技术储备。2035年左右实现载人环火探测和载人火星登陆。
　　3）小行星探测
　　计划于2016年实施OSIRIS-REx小行星探测任务，对小行星1999RQ36开展采样，至2023年返回地球[32]。并计划于2025年左右实施载人小行星探测。
　　1.2.2 俄罗斯
　　1）火星探测
　　计划与芬兰合作，2020年前发射MetNet着陆器，开展火星大气科学探测。
　　2）金星探测
　　计划于2016年发射金星-D（Venera-D）探测器，进行金星遥感观测，并选择未来的着陆点[33]。
　　3）木星探测
　　计划与美国、欧洲空间局和日本联合，开展对木星特别是木星卫星欧罗巴的着陆探测，负责欧罗巴着陆器的研制[34]。
　　1.2.3 欧洲空间局
　　1）火星探测
　　欧洲空间局火星探测计划大体可分为三个阶段，其主要特点是与美国进行合作。第一阶段为，2016年发射火星微量气体轨道器和静态气象着陆器，实现软着陆；2018年发射巡视器，开展火星巡视探测。第二阶段为，2025年左右实现火星采样返回。第三阶段为，2030年以后实现载人火星探测。
　　2）空间科学探测
　　在日地拉格朗日点L1和L2开展若干空间科学探测。2012年发射盖亚（Gaia）探测器，在L2点开展银河系探测。2013年发射LISA探路者（pathfinder）探测器，对在L1点开展引力波探测所需的关键技术进行实验验证，为LISA计划的实施铺路。2018年与美国、加拿大合作发射詹姆斯 韦伯太空望远镜（JWST），在L2点开展空间天文观测。此外，对太阳的观测计划正在论证当中。
　　1.2.4 日本
　　1）火星探测
　　计划于2020年前后发射火星轨道器和着陆器，对火星内部、表面、大气和周围空间进行探测。
　　2）水星探测
　　计划与欧洲空间局联合开展水星探测，将于2014年发射探测器，观测水星的磁场及其与太阳风之间的相互作用。
　　3）木星探测
　　计划参与欧罗巴木星系统任务，负责木星磁球轨道器的研制。

目录
序
前言
第1章 绪论 1
1.1 深空探测活动进展 1
1.1.1 太阳探测 3
1.1.2 以火星为主的行星探测 3
1.1.3 小天体探测 4
1.2 深空探测活动未来发展 5
1.2.1 美国 5
1.2.2 俄罗斯 6
1.2.3 欧洲空间局 6
1.2.4 日本 6
1.3 中国的深空探测活动 7
1.3.1 月球探测 7
1.3.2 火星探测 8
1.4 深空测控通信系统 8
1.4.1 任务功能 8
1.4.2 深空测控通信的特点 9
1.4.3 深空网概述 12
参考文献 17
第2章 轨道动力学 19
2.1 太阳系天体运动 19
2.1.1 太阳系行星 19
2.1.2 太阳系行星轨道参数 19
2.1.3 月球的运动规律 20
2.1.4 火星的运动规律 21
2.1.5 金星的运动规律 23
2.2 时间系统 23
2.2.1 世界时 24
2.2.2 历书时 25
2.2.3 原子时 25
2.2.4 力学时 25
2.2.5 坐标时 26
2.2.6 时间系统转换 26
2.2.7 历元 29
2.3 坐标系统 29
2.3.1 日心坐标系 29
2.3.2 火心坐标系 31
2.3.3 月心坐标系 32
2.3.4 地心坐标系 36
2.3.5 站心坐标系 45
2.3.6 坐标系统转换 47
2.4 轨道动力学基础 48
2.4.1 二体问题 48
2.4.2 多体问题 55
2.5 深空探测轨道设计 62
2.5.1 月球探测轨道设计 62
2.5.2 日地拉格朗日点探测器轨道设计 66
2.5.3 小天体探测轨道设计 77
2.5.4 火星探测轨道设计 80
参考文献 86
第3章 无线电测量 87
3.1 测距 87
3.1.1 基本原理 87
3.1.2 测距体制 88
3.1.3 测距模式 102
3.1.4 距离零值标校 103
3.2 测速 107
3.2.1 基本原理 107
3.2.2 测速模式 108
3.2.3 上行频率补偿 112
3.3 干涉测量 114
3.3.1 基本原理 114
3.3.2 干涉测量类型 115
3.3.3 测量流程 119
3.3.4 数据获取 123
3.3.5 数据处理和校正 124
3.4 测量误差分析 128
3.4.1 传输媒介对测量精度的影响 128
3.4.2 时标准确度造成的测量误差 134
3.4.3 地面接收机引入的测量误差 135
3.4.4 频率源准确度和稳定度引入的测量误差 138
3.4.5 其他测量误差 139
参考文献 139
第4章 遥测、遥控与数据通信技术 143
4.1 信源编码 143
4.1.1 无失真信源编码 143
4.1.2 限失真信源编码 145
4.2 信道编码 149
4.2.1 基本概念与分类 149
4.2.2 级联码 151
4.2.3 LDPC码 153
4.2.4 Turbo码 155
4.2.5 信道编码性能 157
4.3 数据分包与格式化 160
4.3.1 数据分包的特点 160
4.3.2 数据分包的分层结构 161
4.3.3 数据分包的格式化 163
4.4 调制与解调 167
4.4.1 常用信号调制体制 167
4.4.2 恒包络连续相位数字调制 171
4.4.3 载波调制性能分析 173
4.5 遥测 174
4.5.1 深空遥测典型系统 174
4.5.2 遥测系统性能 176
4.5.3 极低损耗遥测解调技术 182
4.6 遥控 187
4.6.1 深空遥控典型系统 187
4.6.2 低码率指令接收技术 189
4.7 数据通信 190
4.7.1 深空数据通信典型系统 191
4.7.2 微弱抑制载波信号捕获技术 192
参考文献 194
第5章 深空探测器射频系统 195
5.1 系统组成与性能 195
5.1.1 系统组成 195
5.1.2 系统性能 197
5.2 应答机 199
5.2.1 应答机的组成和工作原理 199
5.2.2 高灵敏度载波捕获 200
5.2.3 低门限相干解调技术 202
5.2.4 转发测距与再生测距 204
5.2.5 DOR音的生成与调制 208
5.3 功率放大器 210
5.3.1 固态功率放大器 211
5.3.2 行波管放大器 214
5.3.3 功率放大器的性能指标 216
5.3.4 两种功率放大器的比较 217
5.4 探测器天线 219
5.4.1 探测器天线类型 219
5.4.2 天线设计 220
5.4.3 天线测量 223
5.4.4 天线误差与损耗分析 227
5.5 探测器间通信链路 229
5.5.1 器间通信系统设计 229
5.5.2 器间通信链路衰减计算 230
5.6 探测器射频技术发展 237
5.6.1 软件无线电技术 237
5.6.2 新型应答机技术 238
5.6.3 高频段通信技术 238
5.6.4 新型器载天线技术 239
5.6.5 高稳振荡器技术 240
参考文献 241
第6章 深空测控通信地面系统 243
6.1 系统概述 243
6.1.1 系统组成 243
6.1.2 工作流程 245
6.2 大口径天线 252
6.2.1 深空天线的构成 252
6.2.2 天线的标校 268
6.2.3 波束波导馈电系统的跟踪 282
6.3 超低噪声温度接收机 286
6.3.1 低温射频前端 287
6.3.2 超低温制冷系统 291
6.3.3 噪声温度测试 298
6.4 大功率发射机 303
6.4.1 大功率速调管 303
6.4.2 大功率高压电源 308
6.4.3 大功率冷却设备 313
6.4.4 大功率无源器件 315
6.4.5 实现更大输出功率的途径 320
6.5 高稳定度时间频率基准 321
6.5.1 深空站时间频率基准的组成 321
6.5.2 微波原子频标原理 322
参考文献 325
第7章 射频频谱设计与干扰防护 327
7.1 深空测控通信电磁频谱规划 327
7.1.1 ITU有关频率划分规定 327
7.1.2 CCSDS航天测控通信频段建议 329
7.1.3 SFCG深空测控通信频率使用建议 329
7.1.4 NASA月球与深空导航通信频谱结构 332
7.2 深空测控通信干扰保护 335
7.2.1 干扰影响分析 335
7.2.2 干扰保护标准 336
7.2.3 干扰判定准则 341
7.2.4 深空地面站选址电磁环境要求与协调区划分 342
7.3 深空测控通信频谱设计 345
7.3.1 测控通信频段选择 345
7.3.2 发射机带外发射约束 347
7.3.3 接收机选择性要求 349
7.4 典型电磁干扰计算 350
7.4.1 主要干扰类型 350
7.4.2 HDFS对深空站的干扰计算 351
7.4.3 地球轨道航天器网络对深空链路的干扰计算 352
参考文献 353
第8章 深空探测遥操作 355
8.1 遥操作 355
8.1.1 基本概念 355
8.1.2 模式分类 356
8.2 深空探测典型遥操作系统 357
8.2.1 苏联月球探测遥操作 357
8.2.2 美国火星探测遥操作 359
8.2.3 中国月球探测遥操作 362
8.3 巡视探测遥操作关键技术 364
8.3.1 巡视探测遥操作面临的技术难题 364
8.3.2 视觉测量与环境重构技术 366
8.3.3 遥操作规划技术 371
8.3.4 虚拟现实与人机交互技术 375
8.3.5 地面仿真与试验验证技术 379
参考文献 383
第9章 深空测控通信系统设计 385
9.1 任务分析 385
9.2 系统设计方法 386
9.3 链路设计 387
9.3.1 深空测控通信链路 387
9.3.2 测控通信门限的确定 390
9.3.3 接收功率计算 394
9.3.4 系统噪声温度计算 396
9.3.5 链路裕量 399
9.4 链路损耗计算 401
9.4.1 大气损耗的模型计算 401
9.4.2 12GHz以下频段外部损耗估算 404
9.4.3 雨衰损耗 405
9.4.4 云雾损耗 407
9.4.5 实测数据的损耗统计方法 409
9.5 链路噪声温度估算 411
9.5.1 外部噪声温度的测量和计算 411
9.5.2 噪声指数和天线噪声 418
9.5.3 其他外部噪声 418
9.5.4 地面站系统噪声温度 418
9.5.5 系统噪声温度的测量 419
9.5.6 不同参考点系统噪声温度的归算 419
9.6 其他因素对测控链路性能的影响 420
9.6.1 星载应答机工作模式对转发噪声的影响 420
9.6.2 不同副载波波形的功率分配 423
9.6.3 仰角对链路损耗的影响 425
9.6.4 极化损耗 426
9.6.5 指向误差对天线增益的影响 426
参考文献 427
第10章 深空测控通信技术发展 429
10.1 自主与认知技术 430
10.2 天线组阵技术 432
10.3 深空光通信技术 434
10.4 行星际网络技术 436
参考文献 438
附录A 439
A1 八大行星轨道参数 439
A2 IAU 2000章动模型 440
A3 圆锥曲线轨道特性 442
附录B 贝塞尔函数表 443
附录C 正态误差函数表 449
附录D 链路计算参数概率密度函数 451
附录E 天体的黑体亮温度值 453
附录F 缩略词表 455