扑克王id厉害了!天问一号的背后,竟然还有这项通信技术默默助力

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2020-08-30 15:59

7 月 23 日,扑克王id万众瞩目的 “天问一号”火星探测器在海南文昌成功发射,正式拉开了咱们国家火星探测活动的序幕。

掐指一算,现在的 “天问一号”火星探测器,已经出发了 1 个多月,距离地球约 1000 万公里。

火星探测,是我国继载人航天工程、探月工程之后又一个重大空间探索项目,也是我国首次开展地外行星空间环境探测活动,意义极为深远。

数千年来,随着科技的进步,人类对浩瀚宇宙的了解不断增加。

了解越多,好奇心就越重。在好奇心的驱使下,半个多世纪以来,人类开启了 “疯狂”的太空探索之旅。

▲ 阿波罗登月计划,一度将这种 “疯狂”推向了高潮。

时至今日,人类将关注焦点放在了火星上。作为太阳系中与地球最相似且距离较近的行星,火星已然成为太空旅行下一站的首选目标。

“火星救援”等太空电影的热映,加上埃隆马斯克大胆超前的 “火星移民计划”,让人们对火星充满了无限向往。

然而,即便是这颗 “距离较近”的火星,想要来一次 “亲密接触”也并不容易。

火星最远时距离地球 4 亿公里,是地月距离的 1000 倍。截至目前为止,人类已对火星实施了 40 余次探测任务,其中只有 24 次获得成功。真正实现探测器成功着陆并释放火星车巡视地表的国家,只有美国。

巨大的任务风险,高昂的资金投入,以及对技术实力的苛刻要求,让绝大多数国家对火星探测项目望而却步。而我们国家经过多年的技术经验积累,已经具备向火星发起挑战的条件。

这次我们发射的 “天问一号”探测器,将在大约 5 个半月后抵达火星附近。届时,它将实施近火制动和环绕火星,并择机释放着陆巡视器登陆火星。

也就是说,本次任务我们将一次性挑战 “火星环绕、着陆和巡视”3 个目标。

此时此刻的天问一号,正在太空中独自翱翔。那么,大家有没有想过,这样一个孤零零的探测器,究竟是如何实现飞行导航的呢?

目前的外太空飞行器,因为技术成熟度的问题,普遍不具备深空自主导航能力。说白了,它们不能自己认路,必须依赖来自地球测控系统的全程导航、跟踪与测定轨保障。这一切的前提,就是要有分布全球的深空探测网。

地面测控的主要方式,有地面无线电测距、测速,以及 VLBI 测角。

无线电测距,是通过测控站向深空探测器发射无线电波,测量反射回来的信号,从而测定距离。

无线电测速,则和常见的高速公路雷达测速原理类似,主要基于多普勒频移原理,分别测量测控站发射的无线电波和深空探测器反射回来的无线电波发射频率变化,以此测算深空探测器相对于测控站的速度。

▲ 无线电测距测速原理

前面我们提到,火星距离地球最远约 4 亿公里。因此,深空探测器反射回来的信号非常微弱。想要成功捕捉信号,必须加大天线口径,增加发射功率,提升工作频段,提高接收机灵敏度。

近十几年来,我国分别建成了新疆喀什 35 米口径深空站和黑龙江佳木斯 66 米口径深空站,并在地球另一侧建设了阿根廷 35 米口径深空站,实现了对深空探测器的全天候测距和测速。

▲ 阿根廷深空站(图片来自网络)

无线电测速和测距,在视线方向上(也就是测控站和深空探测器的连线方向)具有较高的灵敏度。但深空探测器还有与视线垂直方向上的位置变化,尤其是探测器的地火转移阶段、近火制动阶段等测控弧段,这就需要 VLBI 测角技术。

VLBI 测角的 VLBI,全名是 Very Long Baseline Interferometry(甚长基线干涉)。它的技术原理有点复杂,大家只需要知道,通过四个不同位置的射电天文站台,采用 VLBI 技术,就可以准确测量深空探测器的角度数据,测角精度能够达到 1.5 度的百万分之一。射电天文站台之间的距离越远,测量精度就越高。

▲ Cosθ=ΔT*c/B,ΔT 为不同站台反射型号时延差值,c 为光速,B 为站台距离基线。VLBI 测角原理

我们国家的 VLBI 测轨分系统,由上海佘山站、北京密云站、乌鲁木齐南山站、昆明凤凰山站和上海天文台 VLBI 数据处理中心共同组成。“四站一中心”分布于天南地北,充分利用了我国的国土纵深。

▲ 昆明凤凰山站(图片来源:中科院昆明天文台)

为了准确地对深空探测器进行跟踪监测,及时向深空探测器发出控制指令,各观测站必须将观测数据实时发送到数据处理中心,进行数据处理后,再上报到位于北京的航天测控中心。

▲ VLBI 测轨分系统的组成

以 VLBI 测轨分系统 “四站一中心”之间的数据通信为例,这一看似简单的任务,暗藏着对数据承载网络的一系列挑战:

1、数据传输速率必须要高:

“天问一号”探测器的 VLBI 数据速率为 128Mbps,数据传输专线的带宽要求不小于 200Mbps。

2、数据传输过程必须要稳:

VLBI 数据采集的频率和采集字长恒定,也就是说,某站台传输到数据处理中心的数据流始终是 128Mbps,不会增加也不会减少。为了保持稳定的传输,“天问一号”探测器的 VLBI 数据传输专线带宽可用率,要求必须大于 80%。

3、数据传输距离远,必须要有确定性低时延:

VLBI 测轨分系统的四站一中心基线长度从 1100 多千米到 3200 多千米不等,数据传输专线的实际链路距离更长。VLBI 数据传输要求时延低且恒定,从原始数据观测到测定轨数据发布,VLBI 系统整体实时性指标要求不超过 1 分钟。“天问一号”探测器的 VLBI 数据传输专线单向网络时延不超过百毫秒,且时延抖动幅度应小于 20 毫秒。

4、数据传输必须足够可靠:

VLBI 数据传输可容忍的丢包率要求不大于 0.01%,一旦丢包事件发生,其窗口恢复时间高达 40 分钟!“天问一号”探测器的 VLBI 数据传输可靠性要求极高,需要采用两个运营商的专用线路互为备份,主备网络切换时间小于 3 秒。

5、数据传输项目的开通,必须快、必须灵活:

当深空探测项目结束后,VLBI 测轨分系统的观测活动也完成。历次 “嫦娥”探月工程中,月球探测器的 VLBI 数据传输专线往往在项目启动前 1-2 个月开启,在项目结束后关闭。尽管 “天问一号”火星探测的项目周期远长于历次 “嫦娥”工程,但 VLBI 数据传输专线的快速开通、灵活调整功能依然重要。

简而言之,这个传输网络必须满足大带宽、高稳定、高可靠、确定性低时延、快速开通的要求。符合这个要求的技术方案只有一种,那就是光专线。

2007 年的 “嫦娥”探月计划,运营商的光专线就已经应用于测控数据地面传输。

当时的 “嫦娥一号”探测器 VLBI 测轨分系统,首先引入运营商 SDH 硬管道专线,带宽是 34Mbps。

从 “嫦娥二号”起,VLBI 测轨分系统数据传输陆续启用 MSTP 硬管道专线,支持以太网接口直连,简化接入设备组网,带宽也升级到 100Mbps 以上。

近年来,运营商纷纷建设了覆盖全国省会城市和重点城市的 OTN 政企专网。“天问一号”火星探测器发射前,运营商首次将上海到昆明、上海到北京密云射电天文站台之间的光专线升级到 OTN 政企专网或 OTN 骨干网络,为 VLBI 数据传输提供了更可靠更便捷的服务。

▲ “天问一号”VLBI 测轨分系统数据传输专线组网

OTN,英文全称是 Optical Transport Network,光传送网。这是一种以波分复用技术为基础、在光层组织网络的新一代传送网,它也是目前倡导的全光网络的代表性技术。基于 OTN 技术的 OTN 专线,是 SDH/MSTP 等存量光专线的升级产品。

▲ OTN 设备

OTN 具有硬管道带宽独享的传统优势,传输速率极高,可以轻松应对 VLBI 测轨分系统的需求。

OTN 高品质专线还支持 99.99% 以上的超高可用率,时延也进一步降低,可以控制在每 200 公里一毫秒左右。

OTN 高品质专线还具备业务快速开通功能,在发射窗口启动前一次上站即可开通,能够大幅缩短调试时间。

从 “天问一号”探测器 7 月 23 日发射到 8 月上旬,运营商的高品质光专线发挥稳定,保障了包括 VLBI 测轨分系统在内的深空探测网能够正常工作。8 月 2 日 “天问一号”探测器首次轨道中途修正,也在高品质光专线的支撑下圆满完成。

从 “嫦娥”到 “天问”,中国的深空探测项目正在稳步向前推进。随着综合国力的提升,我们国家类似的重大项目会越来越多。

这些关系到国计民生以及未来科技话语权的重大项目,离不开高性能 ICT 信息通信基础设施及服务的支撑。以 OTN 专线为代表的高品质光专线,就是重要支撑之一。对广大科研、政企用户来说,它能够解决很多实际需求,应用前景非常广阔。

在数字化浪潮下,F5G 全光固定网络,将和 5G 移动网络一起,拓宽联接的边界,为百行千业的数字化转型赋能,为经济发展和社会进步打下坚实的基础。

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