Stuart Golden, Vulcan Wireless, Carlsbad, Calif.

目前，大多数卫星着陆器和轨道器都使用碟形天线或单一固定天线。本文将探讨在月球环境中使用不同天线设计的好处。具体而言，文章将重点关注月球远侧的月球轨道，Vulcan Wireless 公司在该轨道上为即将执行的任务开发了先进的月球通信设备。文章利用典型的月球轨道，研究了特定运行情况下的链路性能。将考虑的运行场景是月球表面的三个设备，所有三个设备都在一个波段内，并试图将传感器数据传输回地球。

要在月球上着陆和生存，就必须对无线电和天线的设计进行仔细研究。例如，月球表面的环境条件包括从-246℃到121℃的极端温度变化。即将执行的几个任务将同时使用 Vulcan Wireless 的软件定义无线电 (SDR) 和 S 波段低温天线。本文将比较该系统与 Vulcan Wireless 相控阵天线的性能，后者目前正在开发中，可用于未来的部署。链路性能的基本指标是数据外泄率。这是指着陆器或漫游车在地球平均一天内能够传输回地球的数据量，通常是传感器数据。文章将介绍如何最大限度地利用这些数据。

Vulcan Wireless 公司正在为 NASA 商业登月有效载荷服务（CLPS）计划中的登月行动生产多种 SDR。图1 显示的是过去和即将进行的 CLPS 任务。具体来说，Vulcan Wireless 在 Firefly 的 Blue Ghost 任务 1、Firefly 的 Blue Ghost 任务 2 和 Firefly 的月球轨道器中都有 SDR。这些任务在图1 中显示为项目编号 3 和 4。

图1 NASA CLPS 计划中的月球着陆器和月球轨道器。

请注意，一些近侧月球飞行任务可以直接与地球通信，而无需使用月球轨道器。但是，远侧飞行任务需要使用轨道器进行通信。要与远侧月球着陆器/探测器通信，一种基本方法是在轨道器上使用定向卫星天线。本文将研究这种极端月球环境下的通信性能。所使用的关键通信性能指标是月球着陆器在每个地球日所能流出的数据比特数。流出的比特数越多，就意味着可以捕捉到更多的传感器数据和更多的图像，并在地球上进行分析。文章将讨论存在干扰时的通信性能。文章将展示如何利用 Vulcan Wireless 的相控阵天线来对抗干扰，并显著提高外渗率。

在通信协议方面，可以使用多种不同的通信波形协议。图2 所示的 Vulcan SDR 支持空间数据系统协商委员会 (CCSDS) 的许多不同协议，这些协议在空间和月球应用中都有使用。具体来说，它支持 CCSDS 远程命令 (TC)、CCSDS 遥测 (TM)、CCSDS 近程和 CCSDS DVB-S2，这些协议对于确保可靠和标准化的数据传输至关重要。SDR 已用于上行链路、下行链路和交叉链路。SDR 还支持精确导航和定时。软件配置允许无线电同时用于时间传输和测距应用。在美国国家航空航天局戈达德设施进行的辐射测试中，SDR 的表现超出预期，它还具有军事级绝密及以下加密功能。

图2 Vulcan 无线 SDR。

模拟使用了图3 所示 Vulcan Wireless 低温 S 波段天线的天线轮廓。美国国家航空航天局（NASA）已批准该天线可承受月夜温度，月夜温度可达-246℃。由于月昼和月夜之间的变化伴随着极端温度，月球表面尤其具有挑战性。月昼和月夜相当于一个地球月，即 30 个地球日。

图3 Vulcan Wireless 低温天线。

指向月球着陆器的单天线

为了了解月球上的数据外渗情况，我们以根据即将发射的卫星的预期星历得出的月球轨道为例。轨道如图4 所示。图4 的上图显示了一个地球日的轨道，有三条不同的轨道。这是在 24 小时地球日中会出现的三次经过。下图有许多轨迹，相当于地球月 30 天内的所有经过。图4 中两幅图片上的黄色标记表示模拟分析中使用的位置。

图4 月球轨道器轨道和模拟分析位置。

图4 确定了模拟中使用的三个假设的漫游车位置。漫游者 0 号的位置位于月球表面电磁学实验夜的拟议地点。漫游者 1 号位于即将计划的月球任务地点的南极，漫游者 2 号位于 Mare Crisium 的近侧。

图5 显示了漫游者 0 在没有其他漫游者传输的情况下对准单个轨道器的模拟结果。顶部的子图显示了随时间变化的载噪比密度，中间的子图显示了随时间变化的数据传输速率，底部的子图显示了随时间变化的外泄数据总量。图6 显示了漫游者 1 在没有其他漫游者传输的情况下指向单个轨道器的相同数据展示。图7 显示了漫游者 2 在没有其他漫游者传输数据的情况下对准单个轨道器的数据展示。

图5 单个轨道器指向漫游者 0 号，其他漫游者没有发射信号。

图6 单个轨道器对准漫游者 1 号，其他漫游者没有发射信号。

图7 单个轨道器对准漫游者 2 号，其他漫游者没有发射信号。

在这一假设性比较中，轨道卫星和漫游车都具有一致且现实的链路参数，如发射功率和天线增益。在所有数据示例中，这些参数都保持不变，以便进行真实的比较。从数据图中可以看出，漫游者 1 号的外渗率是三辆漫游者中最低的。也就是说，漫游者 1 平均每天可渗出 0.37 Mb，而漫游者 0 每天可渗出 3.3 Mb，几乎是漫游者 0 的 10 倍，漫游者 2 每天可渗出 12.3 Mb。

数据显示，月球着陆器的位置对可捕获的外渗数据量有很大影响。需要注意的是，对于某些着陆器位置，每次传递的数据量会有很大变化，比如漫游者 0 号。位于南极的漫游者 1 号就是这种情况。表 1 汇总了模拟中使用的三个假设漫游车位置以及图5 至图7 所示的平均渗漏率。

对准月球着陆器的单天线的干扰

为了说明同信道干扰的影响，本节考虑了轨道器与漫游者 1 号通信，但漫游者 0 号在同一频段发射信号的情况。也就是说，漫游者 0 正在干扰漫游者 1 与轨道器的通信。当漫游者 0 部署在一个不参与广泛接受的频谱分配和标准的国家时，可能会出现这种情况。例如，在这种情况下，该国可能没有获得美国国家电信和信息管理局（NTIA）的批准。

在这种情况下，漫游车 0 会降低漫游车 1 的性能。表 2 对此进行了说明。图8 显示了瞬时数据传输率和载波噪声密度。请注意，漫游者 0 的干扰会显著降低某些路径的性能，而在其他路径上则微不足道。整体性能降低了 50% 以上的无干扰渗出率。具体来说，在没有干扰的情况下，漫游者 0 能够以每天 0.37 Mb 的速度渗出，但在有干扰的情况下，这一结果会降低到每天 0.18 Mb。

图8 在轨道器指向漫游者 1 号的情况下，漫游者 0 号干扰漫游者 1 号。

指向月球着陆器的相控阵天线的干扰

表 2 中显示的另一个有趣的结果是，当轨道器采用相控阵天线时，即使漫游者 0 号与漫游者 1 号相互干扰，数据外泄率也会提高。为此，Vulcan Wireless 公司开发了图9 所示的 S 波段相控阵。相控阵天线是一种智能天线，可自主确定所需信号源和干扰的到达方向。当轨道器使用相控阵雷达时，漫游者 0 号干扰漫游者 1 号的性能曲线如图10 所示。将图10 的结果与图8 的结果进行比较，可以明显看出，相控阵在存在干扰的情况下比单天线情况下的性能提高了一个数量级以上。相控阵 SDR 和智能天线的硬件利用了经过飞行验证的上一代相控阵天线技术。

图9 Vulcan Wireless S 波段相控阵天线。

图10 漫游者 0 号与漫游者 1 号和使用相控阵天线的轨道器的干扰。

结 论

本文讨论了数据从月球表面渗出返回地球的问题。它研究了几个案例，以说明数据外渗率如何取决于漫游车相对于轨道器的位置。当第二台漫游车向第二轨道器广播数据时，数据渗出率明显下降。不过，在轨道器上引入相控阵天线可增加对所需用户的增益，并有助于减轻信道内干扰的影响。即使在存在干扰的情况下，与没有干扰的单天线的最佳性能相比，这种结构也能将月球车的数据外泄量提高一个数量级以上。

注：本文用软件翻译经人工快速校对，仅供参考，请以英文原文为准：https://www.microwavejournal.com/articles/43333