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深空測控通信系統(tǒng)工程與技術 版權信息
- ISBN：9787030368843
- 條形碼：9787030368843 ; 978-7-03-036884-3
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
深空測控通信系統(tǒng)工程與技術 內容簡介
本書緊密結合我國深空測控通信網研制建設的工程實踐，搶先發(fā)售系統(tǒng)、全面地論述了深空測控通信系統(tǒng)的功能原理、關鍵技術、設計規(guī)范、性能評估、近期新成果和發(fā)展趨勢等內容。全書共分10章。、2章介紹了深空探測的基本概念、發(fā)展歷程，深空測控通信系統(tǒng)的構成和特點，以及深空測控通信涉及的時間系統(tǒng)和坐標系統(tǒng)、軌道動力學等基礎知識。第3～6章分別從星載設備、鏈路信道、測量技術和地面系統(tǒng)等方面，詳細闡述了工作原理、系統(tǒng)組成、技術實現和典型工程實例。第7～9章分別介紹了頻譜設計與干擾防護、探測器的遙操作、深空測控通信系統(tǒng)天地一體化設計的主要方法與案例。第10章展望了深空測控通信技術的發(fā)展趨勢。
深空測控通信系統(tǒng)工程與技術 目錄
目錄
序
前言
第1章 緒論 1
1.1 深空探測活動進展 1
1.1.1 太陽探測 3
1.1.2 以火星為主的行星探測 3
1.1.3 小天體探測 4
1.2 深空探測活動未來發(fā)展 5
1.2.1 美國 5
1.2.2 俄羅斯 6
1.2.3 歐洲空間局 6
1.2.4 日本 6
1.3 中國的深空探測活動 7
1.3.1 月球探測 7
1.3.2 火星探測 8
1.4 深空測控通信系統(tǒng) 8
1.4.1 任務功能 8
1.4.2 深空測控通信的特點 9
1.4.3 深空網概述 12
參考文獻 17
第2章 軌道動力學 19
2.1 太陽系天體運動 19
2.1.1 太陽系行星 19
2.1.2 太陽系行星軌道參數 19
2.1.3 月球的運動規(guī)律 20
2.1.4 火星的運動規(guī)律 21
2.1.5 金星的運動規(guī)律 23
2.2 時間系統(tǒng) 23
2.2.1 世界時 24
2.2.2 歷書時 25
2.2.3 原子時 25
2.2.4 力學時 25
2.2.5 坐標時 26
2.2.6 時間系統(tǒng)轉換 26
2.2.7 歷元 29
2.3 坐標系統(tǒng) 29
2.3.1 日心坐標系 29
2.3.2 火心坐標系 31
2.3.3 月心坐標系 32
2.3.4 地心坐標系 36
2.3.5 站心坐標系 45
2.3.6 坐標系統(tǒng)轉換 47
2.4 軌道動力學基礎 48
2.4.1 二體問題 48
2.4.2 多體問題 55
2.5 深空探測軌道設計 62
2.5.1 月球探測軌道設計 62
2.5.2 日地拉格朗日點探測器軌道設計 66
2.5.3 小天體探測軌道設計 77
2.5.4 火星探測軌道設計 80
參考文獻 86
第3章 無線電測量 87
3.1 測距 87
3.1.1 基本原理 87
3.1.2 測距體制 88
3.1.3 測距模式 102
3.1.4 距離零值標校 103
3.2 測速 107
3.2.1 基本原理 107
3.2.2 測速模式 108
3.2.3 上行頻率補償 112
3.3 干涉測量 114
3.3.1 基本原理 114
3.3.2 干涉測量類型 115
3.3.3 測量流程 119
3.3.4 數據獲取 123
3.3.5 數據處理和校正 124
3.4 測量誤差分析 128
3.4.1 傳輸媒介對測量精度的影響 128
3.4.2 時標準確度造成的測量誤差 134
3.4.3 地面接收機引入的測量誤差 135
3.4.4 頻率源準確度和穩(wěn)定度引入的測量誤差 138
3.4.5 其他測量誤差 139
參考文獻 139
第4章 遙測、遙控與數據通信技術 143
4.1 信源編碼 143
4.1.1 無失真信源編碼 143
4.1.2 限失真信源編碼 145
4.2 信道編碼 149
4.2.1 基本概念與分類 149
4.2.2 級聯(lián)碼 151
4.2.3 LDPC碼 153
4.2.4 Turbo碼 155
4.2.5 信道編碼性能 157
4.3 數據分包與格式化 160
4.3.1 數據分包的特點 160
4.3.2 數據分包的分層結構 161
4.3.3 數據分包的格式化 163
4.4 調制與解調 167
4.4.1 常用信號調制體制 167
4.4.2 恒包絡連續(xù)相位數字調制 171
4.4.3 載波調制性能分析 173
4.5 遙測 174
4.5.1 深空遙測典型系統(tǒng) 174
4.5.2 遙測系統(tǒng)性能 176
4.5.3 極低損耗遙測解調技術 182
4.6 遙控 187
4.6.1 深空遙控典型系統(tǒng) 187
4.6.2 低碼率指令接收技術 189
4.7 數據通信 190
4.7.1 深空數據通信典型系統(tǒng) 191
4.7.2 微弱抑制載波信號捕獲技術 192
參考文獻 194
第5章 深空探測器射頻系統(tǒng) 195
5.1 系統(tǒng)組成與性能 195
5.1.1 系統(tǒng)組成 195
5.1.2 系統(tǒng)性能 197
5.2 應答機 199
5.2.1 應答機的組成和工作原理 199
5.2.2 高靈敏度載波捕獲 200
5.2.3 低門限相干解調技術 202
5.2.4 轉發(fā)測距與再生測距 204
5.2.5 DOR音的生成與調制 208
5.3 功率放大器 210
5.3.1 固態(tài)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標 216
5.3.4 兩種功率放大器的比較 217
5.4 探測器天線 219
5.4.1 探測器天線類型 219
5.4.2 天線設計 220
5.4.3 天線測量 223
5.4.4 天線誤差與損耗分析 227
5.5 探測器間通信鏈路 229
5.5.1 器間通信系統(tǒng)設計 229
5.5.2 器間通信鏈路衰減計算 230
5.6 探測器射頻技術發(fā)展 237
5.6.1 軟件無線電技術 237
5.6.2 新型應答機技術 238
5.6.3 高頻段通信技術 238
5.6.4 新型器載天線技術 239
5.6.5 高穩(wěn)振蕩器技術 240
參考文獻 241
第6章 深空測控通信地面系統(tǒng) 243
6.1 系統(tǒng)概述 243
6.1.1 系統(tǒng)組成 243
6.1.2 工作流程 245
6.2 大口徑天線 252
6.2.1 深空天線的構成 252
6.2.2 天線的標校 268
6.2.3 波束波導饋電系統(tǒng)的跟蹤 282
6.3 超低噪聲溫度接收機 286
6.3.1 低溫射頻前端 287
6.3.2 超低溫制冷系統(tǒng) 291
6.3.3 噪聲溫度測試 298
6.4 大功率發(fā)射機 303
6.4.1 大功率速調管 303
6.4.2 大功率高壓電源 308
6.4.3 大功率冷卻設備 313
6.4.4 大功率無源器件 315
6.4.5 實現更大輸出功率的途徑 320
6.5 高穩(wěn)定度時間頻率基準 321
6.5.1 深空站時間頻率基準的組成 321
6.5.2 微波原子頻標原理 322
參考文獻 325
第7章 射頻頻譜設計與干擾防護 327
7.1 深空測控通信電磁頻譜規(guī)劃 327
7.1.1 ITU有關頻率劃分規(guī)定 327
7.1.2 CCSDS航天測控通信頻段建議 329
7.1.3 SFCG深空測控通信頻率使用建議 329
7.1.4 NASA月球與深空導航通信頻譜結構 332
7.2 深空測控通信干擾保護 335
7.2.1 干擾影響分析 335
7.2.2 干擾保護標準 336
7.2.3 干擾判定準則 341
7.2.4 深空地面站選址電磁環(huán)境要求與協(xié)調區(qū)劃分 342
7.3 深空測控通信頻譜設計 345
7.3.1 測控通信頻段選擇 345
7.3.2 發(fā)射機帶外發(fā)射約束 347
7.3.3 接收機選擇性要求 349
7.4 典型電磁干擾計算 350
7.4.1 主要干擾類型 350
7.4.2 HDFS對深空站的干擾計算 351
7.4.3 地球軌道航天器網絡對深空鏈路的干擾計算 352
參考文獻 353
第8章 深空探測遙操作 355
8.1 遙操作 355
8.1.1 基本概念 355
8.1.2 模式分類 356
8.2 深空探測典型遙操作系統(tǒng) 357
8.2.1 蘇聯(lián)月球探測遙操作 357
8.2.2 美國火星探測遙操作 359
8.2.3 中國月球探測遙操作 362
8.3 巡視探測遙操作關鍵技術 364
8.3.1 巡視探測遙操作面臨的技術難題 364
8.3.2 視覺測量與環(huán)境重構技術 366
8.3.3 遙操作規(guī)劃技術 371
8.3.4 虛擬現實與人機交互技術 375
8.3.5 地面仿真與試驗驗證技術 379
參考文獻 383
第9章 深空測控通信系統(tǒng)設計 385
9.1 任務分析 385
9.2 系統(tǒng)設計方法 386
9.3 鏈路設計 387
9.3.1 深空測控通信鏈路 387
9.3.2 測控通信門限的確定 390
9.3.3 接收功率計算 394
9.3.4 系統(tǒng)噪聲溫度計算 396
9.3.5 鏈路裕量 399
9.4 鏈路損耗計算 401
9.4.1 大氣損耗的模型計算 401
9.4.2 12GHz以下頻段外部損耗估算 404
9.4.3 雨衰損耗 405
9.4.4 云霧損耗 407
9.4.5 實測數據的損耗統(tǒng)計方法 409
9.5 鏈路噪聲溫度估算 411
9.5.1 外部噪聲溫度的測量和計算 411
9.5.2 噪聲指數和天線噪聲 418
9.5.3 其他外部噪聲 418
9.5.4 地面站系統(tǒng)噪聲溫度 418
9.5.5 系統(tǒng)噪聲溫度的測量 419
9.5.6 不同參考點系統(tǒng)噪聲溫度的歸算 419
9.6 其他因素對測控鏈路性能的影響 420
9.6.1 星載應答機工作模式對轉發(fā)噪聲的影響 420
9.6.2 不同副載波波形的功率分配 423
9.6.3 仰角對鏈路損耗的影響 425
9.6.4 極化損耗 426
9.6.5 指向誤差對天線增益的影響 426
參考文獻 427
第10章 深空測控通信技術發(fā)展 429
10.1 自主與認知技術 430
10.2 天線組陣技術 432
10.3 深空光通信技術 434
10.4 行星際網絡技術 436
參考文獻 438
附錄A 439
A1 八大行星軌道參數 439
A2 IAU 2000章動模型 440
A3 圓錐曲線軌道特性 442
附錄B 貝塞爾函數表 443
附錄C 正態(tài)誤差函數表 449
附錄D 鏈路計算參數概率密度函數 451
附錄E 天體的黑體亮溫度值 453
附錄F 縮略詞表 455
序
前言
第1章 緒論 1
1.1 深空探測活動進展 1
1.1.1 太陽探測 3
1.1.2 以火星為主的行星探測 3
1.1.3 小天體探測 4
1.2 深空探測活動未來發(fā)展 5
1.2.1 美國 5
1.2.2 俄羅斯 6
1.2.3 歐洲空間局 6
1.2.4 日本 6
1.3 中國的深空探測活動 7
1.3.1 月球探測 7
1.3.2 火星探測 8
1.4 深空測控通信系統(tǒng) 8
1.4.1 任務功能 8
1.4.2 深空測控通信的特點 9
1.4.3 深空網概述 12
參考文獻 17
第2章 軌道動力學 19
2.1 太陽系天體運動 19
2.1.1 太陽系行星 19
2.1.2 太陽系行星軌道參數 19
2.1.3 月球的運動規(guī)律 20
2.1.4 火星的運動規(guī)律 21
2.1.5 金星的運動規(guī)律 23
2.2 時間系統(tǒng) 23
2.2.1 世界時 24
2.2.2 歷書時 25
2.2.3 原子時 25
2.2.4 力學時 25
2.2.5 坐標時 26
2.2.6 時間系統(tǒng)轉換 26
2.2.7 歷元 29
2.3 坐標系統(tǒng) 29
2.3.1 日心坐標系 29
2.3.2 火心坐標系 31
2.3.3 月心坐標系 32
2.3.4 地心坐標系 36
2.3.5 站心坐標系 45
2.3.6 坐標系統(tǒng)轉換 47
2.4 軌道動力學基礎 48
2.4.1 二體問題 48
2.4.2 多體問題 55
2.5 深空探測軌道設計 62
2.5.1 月球探測軌道設計 62
2.5.2 日地拉格朗日點探測器軌道設計 66
2.5.3 小天體探測軌道設計 77
2.5.4 火星探測軌道設計 80
參考文獻 86
第3章 無線電測量 87
3.1 測距 87
3.1.1 基本原理 87
3.1.2 測距體制 88
3.1.3 測距模式 102
3.1.4 距離零值標校 103
3.2 測速 107
3.2.1 基本原理 107
3.2.2 測速模式 108
3.2.3 上行頻率補償 112
3.3 干涉測量 114
3.3.1 基本原理 114
3.3.2 干涉測量類型 115
3.3.3 測量流程 119
3.3.4 數據獲取 123
3.3.5 數據處理和校正 124
3.4 測量誤差分析 128
3.4.1 傳輸媒介對測量精度的影響 128
3.4.2 時標準確度造成的測量誤差 134
3.4.3 地面接收機引入的測量誤差 135
3.4.4 頻率源準確度和穩(wěn)定度引入的測量誤差 138
3.4.5 其他測量誤差 139
參考文獻 139
第4章 遙測、遙控與數據通信技術 143
4.1 信源編碼 143
4.1.1 無失真信源編碼 143
4.1.2 限失真信源編碼 145
4.2 信道編碼 149
4.2.1 基本概念與分類 149
4.2.2 級聯(lián)碼 151
4.2.3 LDPC碼 153
4.2.4 Turbo碼 155
4.2.5 信道編碼性能 157
4.3 數據分包與格式化 160
4.3.1 數據分包的特點 160
4.3.2 數據分包的分層結構 161
4.3.3 數據分包的格式化 163
4.4 調制與解調 167
4.4.1 常用信號調制體制 167
4.4.2 恒包絡連續(xù)相位數字調制 171
4.4.3 載波調制性能分析 173
4.5 遙測 174
4.5.1 深空遙測典型系統(tǒng) 174
4.5.2 遙測系統(tǒng)性能 176
4.5.3 極低損耗遙測解調技術 182
4.6 遙控 187
4.6.1 深空遙控典型系統(tǒng) 187
4.6.2 低碼率指令接收技術 189
4.7 數據通信 190
4.7.1 深空數據通信典型系統(tǒng) 191
4.7.2 微弱抑制載波信號捕獲技術 192
參考文獻 194
第5章 深空探測器射頻系統(tǒng) 195
5.1 系統(tǒng)組成與性能 195
5.1.1 系統(tǒng)組成 195
5.1.2 系統(tǒng)性能 197
5.2 應答機 199
5.2.1 應答機的組成和工作原理 199
5.2.2 高靈敏度載波捕獲 200
5.2.3 低門限相干解調技術 202
5.2.4 轉發(fā)測距與再生測距 204
5.2.5 DOR音的生成與調制 208
5.3 功率放大器 210
5.3.1 固態(tài)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標 216
5.3.4 兩種功率放大器的比較 217
5.4 探測器天線 219
5.4.1 探測器天線類型 219
5.4.2 天線設計 220
5.4.3 天線測量 223
5.4.4 天線誤差與損耗分析 227
5.5 探測器間通信鏈路 229
5.5.1 器間通信系統(tǒng)設計 229
5.5.2 器間通信鏈路衰減計算 230
5.6 探測器射頻技術發(fā)展 237
5.6.1 軟件無線電技術 237
5.6.2 新型應答機技術 238
5.6.3 高頻段通信技術 238
5.6.4 新型器載天線技術 239
5.6.5 高穩(wěn)振蕩器技術 240
參考文獻 241
第6章 深空測控通信地面系統(tǒng) 243
6.1 系統(tǒng)概述 243
6.1.1 系統(tǒng)組成 243
6.1.2 工作流程 245
6.2 大口徑天線 252
6.2.1 深空天線的構成 252
6.2.2 天線的標校 268
6.2.3 波束波導饋電系統(tǒng)的跟蹤 282
6.3 超低噪聲溫度接收機 286
6.3.1 低溫射頻前端 287
6.3.2 超低溫制冷系統(tǒng) 291
6.3.3 噪聲溫度測試 298
6.4 大功率發(fā)射機 303
6.4.1 大功率速調管 303
6.4.2 大功率高壓電源 308
6.4.3 大功率冷卻設備 313
6.4.4 大功率無源器件 315
6.4.5 實現更大輸出功率的途徑 320
6.5 高穩(wěn)定度時間頻率基準 321
6.5.1 深空站時間頻率基準的組成 321
6.5.2 微波原子頻標原理 322
參考文獻 325
第7章 射頻頻譜設計與干擾防護 327
7.1 深空測控通信電磁頻譜規(guī)劃 327
7.1.1 ITU有關頻率劃分規(guī)定 327
7.1.2 CCSDS航天測控通信頻段建議 329
7.1.3 SFCG深空測控通信頻率使用建議 329
7.1.4 NASA月球與深空導航通信頻譜結構 332
7.2 深空測控通信干擾保護 335
7.2.1 干擾影響分析 335
7.2.2 干擾保護標準 336
7.2.3 干擾判定準則 341
7.2.4 深空地面站選址電磁環(huán)境要求與協(xié)調區(qū)劃分 342
7.3 深空測控通信頻譜設計 345
7.3.1 測控通信頻段選擇 345
7.3.2 發(fā)射機帶外發(fā)射約束 347
7.3.3 接收機選擇性要求 349
7.4 典型電磁干擾計算 350
7.4.1 主要干擾類型 350
7.4.2 HDFS對深空站的干擾計算 351
7.4.3 地球軌道航天器網絡對深空鏈路的干擾計算 352
參考文獻 353
第8章 深空探測遙操作 355
8.1 遙操作 355
8.1.1 基本概念 355
8.1.2 模式分類 356
8.2 深空探測典型遙操作系統(tǒng) 357
8.2.1 蘇聯(lián)月球探測遙操作 357
8.2.2 美國火星探測遙操作 359
8.2.3 中國月球探測遙操作 362
8.3 巡視探測遙操作關鍵技術 364
8.3.1 巡視探測遙操作面臨的技術難題 364
8.3.2 視覺測量與環(huán)境重構技術 366
8.3.3 遙操作規(guī)劃技術 371
8.3.4 虛擬現實與人機交互技術 375
8.3.5 地面仿真與試驗驗證技術 379
參考文獻 383
第9章 深空測控通信系統(tǒng)設計 385
9.1 任務分析 385
9.2 系統(tǒng)設計方法 386
9.3 鏈路設計 387
9.3.1 深空測控通信鏈路 387
9.3.2 測控通信門限的確定 390
9.3.3 接收功率計算 394
9.3.4 系統(tǒng)噪聲溫度計算 396
9.3.5 鏈路裕量 399
9.4 鏈路損耗計算 401
9.4.1 大氣損耗的模型計算 401
9.4.2 12GHz以下頻段外部損耗估算 404
9.4.3 雨衰損耗 405
9.4.4 云霧損耗 407
9.4.5 實測數據的損耗統(tǒng)計方法 409
9.5 鏈路噪聲溫度估算 411
9.5.1 外部噪聲溫度的測量和計算 411
9.5.2 噪聲指數和天線噪聲 418
9.5.3 其他外部噪聲 418
9.5.4 地面站系統(tǒng)噪聲溫度 418
9.5.5 系統(tǒng)噪聲溫度的測量 419
9.5.6 不同參考點系統(tǒng)噪聲溫度的歸算 419
9.6 其他因素對測控鏈路性能的影響 420
9.6.1 星載應答機工作模式對轉發(fā)噪聲的影響 420
9.6.2 不同副載波波形的功率分配 423
9.6.3 仰角對鏈路損耗的影響 425
9.6.4 極化損耗 426
9.6.5 指向誤差對天線增益的影響 426
參考文獻 427
第10章 深空測控通信技術發(fā)展 429
10.1 自主與認知技術 430
10.2 天線組陣技術 432
10.3 深空光通信技術 434
10.4 行星際網絡技術 436
參考文獻 438
附錄A 439
A1 八大行星軌道參數 439
A2 IAU 2000章動模型 440
A3 圓錐曲線軌道特性 442
附錄B 貝塞爾函數表 443
附錄C 正態(tài)誤差函數表 449
附錄D 鏈路計算參數概率密度函數 451
附錄E 天體的黑體亮溫度值 453
附錄F 縮略詞表 455
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深空測控通信系統(tǒng)工程與技術 節(jié)選
第1章 緒論 深空探測是對月球和月球以遠的天體或空間環(huán)境進行的探測活動。1988年以后，國際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union，ITU）把深空探測定義為對200萬km以遠的天體或空間環(huán)境進行的探測。目前，這兩種定義方法都在應用。 深空探測是人類探索宇宙奧秘和尋求長久發(fā)展的必然途徑，是衡量一個國家綜合國力和科學技術發(fā)展水平的重要標志。開展深空探測活動能夠有效帶動空間技術、空間科學和空間應用的大發(fā)展，促進對太陽系及宇宙的起源與演化、太陽及小天體活動對人類生存環(huán)境的災害性影響、地外生命信息探尋等重大科學問題的研究，為人類可持續(xù)發(fā)展服務[1-2]。 1.1 深空探測活動進展 1957年蘇聯(lián)發(fā)射**顆人造地球衛(wèi)星后僅3年，蘇聯(lián)和美國即競相發(fā)射深空探測器，拉開了人類探測太陽系的序幕。自1960年3月美國發(fā)射世界上**顆深空太陽探測器先驅者5號（Pioneer5），至2011年11月俄羅斯發(fā)射福布斯-土壤（Phobos-Grunt）火星衛(wèi)星探測器，世界主要航天大國和組織共實施深空探測任務120次，成功或部分成功73次，失敗43次，4次尚在飛行途中，成功率為61%，兩探測器如圖1-1所示。 圖1-1 先驅者5號深空太陽探測器（左）和福布斯-土壤火星衛(wèi)星探測器（右） 五十余年的深空探測發(fā)展歷程，大致可以分為“競爭期”、“平靜期”和“成熟期”三個階段。1960—1979年是美、蘇兩國在冷戰(zhàn)背景下以相互展示意志和能力為特征的“競爭期”，20年間共實施68次任務，雖然失敗34次，但兩國空間技術和空間科學能力得到了飛速發(fā)展。1980—1994年是深空探測活動的“平靜期”，美、蘇此時都致力于空間科學數據的分析和消化，在此期間日本和歐洲空間局（European Space Agency，ESA）相繼加入了深空探測行列，但15年間僅實施16次任務。1995—2012年是以科學探索為主要驅動力開展深空探測活動的“成熟期”，17年間共實施了36次任務。不同時期深空探測活動統(tǒng)計如圖1-2所示。 圖1-2 不同時期深空探測活動統(tǒng)計圖 迄今為止，僅有美國、蘇聯(lián)/俄羅斯、日本和歐洲空間局獨立開展了深空探測活動。美國*早開始實施深空探測任務，是目前唯一對太陽、七大行星、小天體和太陽系以外宇宙空間都開展過探測活動的國家；蘇聯(lián)/俄羅斯曾發(fā)射過多個探測器，但成功率較低，自1996年火星96號（Mars96）任務失敗后，至今再未發(fā)射深空探測器；日本雖在行星探測方面受挫，卻在小天體探測方面取得了較大成功；歐洲空間局發(fā)射次數雖少，但全部取得成功或取得部分成功，在較短時間內達到了很高的水平。世界各國和組織深空探測活動統(tǒng)計如圖1-3所示。 圖1-3 世界各國和組織深空探測活動統(tǒng)計圖 人類已開展的深空探測活動已基本覆蓋太陽系各類天體，如太陽、七大行星及其衛(wèi)星、矮行星、小行星和彗星等，實現了飛越、撞擊、環(huán)繞、軟著陸、巡視和采樣返回等多種探測方式。探測的重點集中在火星、金星、太陽和小天體，不同天體探測活動統(tǒng)計如圖1-4所示。 圖1-4 不同天體探測活動統(tǒng)計圖 需要指出的是，金星探測主要集中在20世紀六七十年代，1990年之后僅實施過2次。此外，近年來美國和歐洲空間局相繼開始了對太陽系以外宇宙的天文觀測。 1.1.1 太陽探測 太陽作為太陽系的主宰，對人類生存環(huán)境的影響非常巨大，也是深空探測的重點目標。在深空任務中，對太陽的探測，主要采用太陽環(huán)繞軌道觀測和日地拉格朗日點L1暈軌道觀測兩種方式。早期美國的先驅者（Pioneer）系列、太陽神（Helios）1號和太陽神2號，主要采用太陽環(huán)繞軌道對太陽風和太陽磁場等進行探測。1990年美國和歐洲空間局合作發(fā)射了尤利西斯（Ulysses）太陽探測器，**次成功實現了太陽近極軌道（傾角70°）的探測[4]。此外，在日地拉格朗日點L1對太陽進行長期觀測的主要有國際日地探險者（ISEE-3）等5顆探測器，其中起源號（Genesis）探測器成功采集到了太陽風粒子并返回地球[5-9]。2006年美國還發(fā)射了日地天文臺（STEREO）探測器，采用雙星對太陽開展立體觀測，*次從地球軌道以外位置提供太陽的三維視圖[10]。 1.1.2 以火星為主的行星探測 1）火星探測 和其他行星比較而言，火星的自然環(huán)境與地球較為相似，是目前人類認識*深入的類地行星。人類已先后發(fā)射40顆火星探測器，實現了飛越、環(huán)繞、著陸和巡視探測。50余年的火星探測歷程從探測方式上大致可分為兩個階段。**階段是以美國和蘇聯(lián)為主的國家對火星的初期探測，主要采用飛越、環(huán)繞和硬著陸的方式，獲得了大量關于火星大氣、地形地貌等方面的科學數據。第二階段是在20世紀90年代后，主要是美國先后實施了11次火星任務，成功8次，實現了軟著陸和火星車巡視探測。其中，具有代表性的機遇號（Opportunity）、勇氣號（Spirit）在火星表面進行了長期巡視探測[11-12]，鳳凰號（Phoenix）則成功實現了火星極地軟著陸，發(fā)現了大量水冰的存在[13]。2011年底發(fā)射的火星科學實驗室（MSL），即好奇號（Curiosity）火星車，全部采用核電源、空中吊車式軟著陸方式，再次開展火星巡視探測。2011年底俄羅斯發(fā)射的福布斯-土壤火星衛(wèi)星探測器，由于故障未能進入地火轉移軌道。此外，歐洲空間局和日本也對火星探測進行了嘗試。 2）金星探測[14] 金星是距離地球*近的類地行星，其環(huán)境惡劣，表面大氣壓約為地球的90倍，表面溫度高達400℃。人類先后對金星進行了40次探測，成功19次，實現了飛越、撞擊、環(huán)繞和8次軟著陸，著陸器在金星表面工作壽命*長僅127min。*有代表性的是1989年美國發(fā)射的麥哲倫號（Magellan）金星軌道器，獲得了較為完整的金星引力場和地形地貌數據[15]。自1990年以后，僅歐洲空間局和日本實施過金星探測。 3）水星探測 在八大行星中，水星質量*小，距太陽*近。到目前為止，只有美國對其開展過探測活動。水手10號（Mariner10）探測器于1974年和1975年對水星進行過飛越探測，獲得了水星大氣成分和磁場分布等數據。為了進一步認識了解水星的內部結構等，美國2004年發(fā)射了信使號（Messenger）水星軌道器[16-17]，它在飛行約7年后，于2011年3月成功入軌。 4）巨行星探測 巨行星包括木星、土星、天王星和海王星。木星是太陽系中*大的行星。目前，人類對木星進行了5次飛越探測和1次軌道器探測，1次尚在飛行途中。1989年美國和西德聯(lián)合發(fā)射了伽利略號（Galileo）軌道探測器，對木星及其衛(wèi)星的化學成分和物理狀態(tài)進行了探測，證實了木衛(wèi)二、木衛(wèi)三表面覆蓋著冰層[18]。2011年8月發(fā)射的朱諾號（Juno）軌道探測器預計2016年到達木星，對木星大氣成分、磁場和重力場等開展為期至少一年的研究。 土星是太陽系內第二大行星，美國發(fā)射的先驅者11號（Pioneer11）等三次任務，對土星進行了飛越探測。1997年美國和歐洲空間局聯(lián)合發(fā)射的卡西尼-惠更斯（Cassini-Huygens）探測器*次對土星及其衛(wèi)星開展了環(huán)繞探測[19-20]。2004年，卡西尼與惠更斯分離，卡西尼繼續(xù)環(huán)土星軌道探測，惠更斯則成功著陸在土衛(wèi)六表面。 巨行星探測主要采用飛越探測，少部分實現了環(huán)繞探測。由于探測距離遙遠，飛行時間長，所以對探測器的壽命、自主控制和測控通信要求很高。由于距離太陽遙遠，探測器一般采用核電源。 1.1.3 小天體探測 一般認為，小行星和彗星等小天體保存著太陽系早期形成的原始信息，可作為研究太陽系起源與演化的證據。迄今各國共實施過12次探測任務，成功8次，3次尚在飛行途中[21-23]。*有代表性的一是美國2004年發(fā)射的星塵號（Stardust）*次實現了彗發(fā)物質的取樣返回[24-26]；二是日本2003年發(fā)射的隼鳥號（Muses-C）在經歷多次故障后，對系川（Itokawa）小行星進行了采樣，并于2010年6月成功返回地球[27-28]。 1.2 深空探測活動未來發(fā)展 進入21世紀以來，各主要航天大國和組織都制定了20年乃至更長的深空探測發(fā)展規(guī)劃，如圖1-5所示。重點集中在火星、太陽和小天體探測，美國和歐洲空間局均計劃在2035年前后實現載人火星探測。 圖1-5 國外深空探測活動規(guī)劃 深空探測未知因素很多，上述計劃在執(zhí)行的過程中由于技術、經費等因素的影響，會有調整、延遲或改變。但是，深空探測的總趨勢不會發(fā)生大的變化。 1.2.1 美國 美國針對太陽、火星和小行星探測分別制定了相應的規(guī)劃，具體如下[29-30]。 1）太陽探測 計劃于2015年發(fā)射太陽探針（Solar Probe Plus）[31]，通過7次金星借力實現距太陽表面約700萬km的近距離探測。為太陽日冕加熱機制、太陽風的形成和演變等問題的研究提供科學數據。此外，2017年還將發(fā)射太陽前哨站（Solar Sentinel），利用三組六顆探測器探測太陽能量粒子的加速與傳播機制以及日冕物質的噴發(fā)機制等。 2）火星探測 計劃于2013年發(fā)射MAVEN火星環(huán)繞探測器，增強火星中繼能力。2016年以后，與歐洲空間局合作開展若干次火星著陸與巡視探測實驗，為2025年實現火星取樣返回作技術儲備。2035年左右實現載人環(huán)火探測和載人火星登陸。 3）小行星探測 計劃于2016年實施OSIRIS-REx小行星探測任務，對小行星1999RQ36開展采樣，至2023年返回地球[32]。并計劃于2025年左右實施載人小行星探測。 1.2.2 俄羅斯 1）火星探測 計劃與芬蘭合作，2020年前發(fā)射MetNet著陸器，開展火星大氣科學探測。 2）金星探測 計劃于2016年發(fā)射金星-D（Venera-D）探測器，進行金星遙感觀測，并選擇未來的著陸點[33]。 3）木星探測 計劃與美國、歐洲空間局和日本聯(lián)合，開展對木星特別是木星衛(wèi)星歐羅巴的著陸探測，負責歐羅巴著陸器的研制[34]。 1.2.3 歐洲空間局 1）火星探測 歐洲空間局火星探測計劃大體可分為三個階段，其主要特點是與美國進行合作。**階段為，2016年發(fā)射火星微量氣體軌道器和靜態(tài)氣象著陸器，實現軟著陸；2018年發(fā)射巡視器，開展火星巡視探測。第二階段為，2025年左右實現火星采樣返回。第三階段為，2030年以后實現載人火星探測。 2）空間科學探測 在日地拉格朗日點L1和L2開展若干空間科學探測。2012年發(fā)射蓋亞（Gaia）探測器，在L2點開展銀河系探測。2013年發(fā)射LISA探路者（pathfinder）探測器，對在L1點開展引力波探測所需的關鍵技術進行實驗驗證，為LISA計劃的實施鋪路。2018年與美國、加拿大合作發(fā)射詹姆斯 韋伯太空望遠鏡（JWST），在L2點開展空間天文觀測。此外，對太陽的觀測計劃正在論證當中。 1.2.4 日本 1）火星探測 計劃于2020年前后發(fā)射火星軌道器和著陸器，對火星內部、表面、大氣和周圍空間進行探測。 2）水星探測 計劃與歐洲空間局聯(lián)合開展水星探測，將于2014年發(fā)射探測器，觀測水星的磁場及其與太陽風之間的相互作用。 3）木星探測 計劃參與歐羅巴木星系統(tǒng)任務，負責木星磁球軌道器的研制。
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