(1)戈尔德斯通深空站(北纬35°25′36″,西经116°53′24″),位于美国加州的莫哈维沙漠。目前在运行的有1个70m天线、3个34m波束波导(BWG)天线,正在新建1个34m BWG天线。
(2)马德里深空站(北纬40°25′53″,西经4°14′53″W),位于西班牙首都马德里以西60km。目前在运行的有1个70m天线,1个34m高效率天线,2个34m波束波导天线,另有2个34m波束波导天线在建。
(3)堪培拉深空站(南纬35°24′05″,东经148°58′54″),位于澳大利亚首都堪培拉西南40km。目前在运行的有1个70m天线,3个34m波束波导天线,有1个34m波束波导天线在建。
DSN所属的三个深空站全都能够跟踪“旅行者1号”。 而“旅行者2号” 由于位于黄道遥远的南方,北半球站点是看不到的,只能通过堪培拉深空站的通信链路。表1显示加利福尼亚戈尔德斯通深空站两种不同尺寸的天线对于“旅行者1号”遥测数据率的限制,以及澳大利亚堪培拉深空站对“旅行者2号”遥测数据率的限制。至于西班牙马德里的第三个深空站,对“旅行者1号” 遥测数据率的限制同戈尔德斯敦站的相似。
图5 美国NASA 深空网布局和组成
为了实现“旅行者号”任务极远距离的深空通信,当时的探测器和地面深空站都采用了很多通信新技术,并且在旅行者号任务实施的着四十多年的过程当中,地面也一直不断地通过采用新技术来提升远距离通信能力。
“旅行者号”通信的系统设计受 “水手-金星-水星” (1973 年发射)和“海盗轨道器”(1975 年发射) 通信系统影响很大。这两个以前的任务主要使用S频段上/下行链路系统,并进行了X频段试验。“旅行者号”任务设计的主要改进包括:
1)首次使用X频段而不是S频段作为主要的下行遥测链路;
2)采用双输出功率的X频段TWTA,最大发射功率18W,设计用来减小质量、使效率最大化,且工作时间超过50000h;
3)一个3.66m直径的天线,是1977年发射时的最大口径反射面天线;
4)用级联格雷+卷积编码的单通道遥测系统提供有效的数据传输,后来在轨升级为级联R-S+卷积编码。
在“旅行者号”任务的飞行过程中采用的新技术包括:
图像压缩技术
在探测器同木星和土星交会之后,JPL完成了“旅行者号”的图像数据压缩(IDC)软件。项目组把软件加载到了探测器上的在轨备份数据子系统(FDS)计算机中,该计算机进行了重新配置,以执行这项任务。未压缩的“旅行者”图像包括800行,每行800个点(像素),每像素8bit(表示256级灰度中的一个)。然而,典型的行星或卫星图像中包含的大多数数据内容是黑色的太空或低对比度的云。通过计算相邻临像素灰度级别之间差别,而不是完整的8bit值,图像数据压缩能够将一幅典型图像的比特数减少60%而不会过度地丢失信息,这就减少了从天王星和海王星向地球传回一幅完整图像所需时间的60%。
纠错编码
同其它深空链路一样,“旅行者号”的遥测链路受通信信道中噪声影响,改变了信道中所传输比特的量值,换句话说,产生了误码。纠错编码减少了接收输出的信息误码率。这种编码通过增加相关信息比特率增加了信号冗余。在木星和土星探测中使用的格雷编码算法要求每个发送的信息比特需要1bit的开销(开销为100%)。“旅行者”载有一个试验性的RS数据编码器,特别适用于天王星和海王星这种通信距离更远的任务阶段。新的RS编码方案减少到每5bit信息有1bit的开销(开销为20%),信息输出误码率由5×10-3减少到10-6。
DSN的64m站升级到70m站
得益于“旅行者”计划最重要的DSN升级是64m站升级到70m站。70m站的升级通过移走旧金属面板和结构支架,然后安装全新的外部支撑结构和精密面板,面板表面可调整到亚毫米级精度。引入了全息对齐技术,用来保证准确的聚焦X频段射频信号。更大的表面面积和对齐及校正技术共同使每个70m站的信号强度提高了1.4dB。
DSN天线组阵
受益于“旅行者”计划第二项重要DSN升级是采用基带合成技术的多天线组阵系统。通过将70m天线同1个34m高效率(HEF)天线组阵,可使70m天线的性能增加0.8dB;将70m天线同2个34m天线组阵,可使70m天线的性能增加1.2dB。
DSN天线同非DSN天线组阵
为了与海王星交会时获取数据,“旅行者”计划调动了NASA/JPL管理的DSN以外的地面资源。同天王星交会时一样,DSN再次联手澳大利亚政府的Parkes 64m射电天文天线,该天线由联邦科学和工业研究机构(CSIRO)管理。DSN在堪培拉的70m和34m天线同Parkes 64m天线组成天线阵,其间用320km的微波链路相连[1]。
与海王星交会期间,用上述3个天线同时跟踪“旅行者”,DSN和Parkes射电天文台取得的合成信号强度基本正比于增加的组阵天线组合表面积。其它因素相同的情况下,DSN-Parkes组阵可以提供的比特速率双倍于单一70m的能力。
到目前为止针对海王星的最大信号强度提升是通过将新墨西哥州socorro附近的国家射电天文台(NRAO)甚大天线阵(VLA)的27个25m抛物面天线同加利福尼亚州戈尔德斯敦的70m DSN天线组成天线阵得到的。用VLA与70m天线组阵后接收到的信号功率(或者数据率能力)接近70m天线自身接收能力的3倍。1个70m天线,2个34m天线与VLA组成天线阵,提供的下行信号性能比单一70m天线多5.6dB,在比特率上几乎是4倍。
最后,与日本航天局JAXA合作,允许其臼田的64m天线用于星际交会日的非实时射电科学数据组合。
Block V 接收机
在20世纪90年代初期,DSN开发了一种软件接收机(BVR)。好处之一是BVR为“旅行者”提供抑制载波模式下工作的能力。通过将探测器激励器的相位调制指数改变为90°,不存在独立载波,所有能量都分配给调制的遥测副载波。
系统噪声温度的改善
在2000到2001年期间,DSN在70m站用HEMT技术代替了需频繁维护的脉泽前置放大器并降低了前置放大器噪声温度。这两项改造使下行遥测性能增加了约0.5dB。从二十世纪90年代后期开始探测器远离地球的速度相当于每年性能降低0.5dB。因此,这两项改造将比特速率能力(同没有改造相比)延长了1~2年。
新建34-m天线和组阵全频谱合成
DSN已经完成了所有三个深空通信设施的组阵能力升级,包括从基带组合发展到全频谱合成以及装备了更多的34m天线。全频谱合成技术使得“旅行者号”在通过终点激波、日鞘和太阳风层顶进入到广阔未知的星际空间后,仍然能够使用科学数据回放速率下传数据。更多可用的34m站减少了各项目对紧缺DSN资源的争夺, 从2013年开始,“旅行者”的日常的组阵是利用一对34-m天线组阵以160bit/s的速率接收每天的巡航遥测数据。
综合采用以上各种提高系统性能的方法,使地面接收“旅行者号”下行数据的码速率目前仍可以达到约150bps。虽然,在这种下传数据速率的情况下,获取探测数据仍然很慢,而且天地单向光行时达到约20h,但地面仍可以通过获取的有限且宝贵的科学探测数据,认识遥远太空的奥秘。