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欧空局地面站网络现状及演变发展

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01 发展历史

欧空局(ESA)成立于1975年,由22个成员国组成,致力于太空探索活动。自成立以来,欧空局承担着对地观测、深空探测、科学研究等多项重要航天任务,庞大的任务量和任务的复杂性需要高性能、高灵活度的地面网络予以支持。地面网络对于航天任务的重要性不言而喻,但相较于天基系统,其背后的地面基础设施较少得到关注。本文将通过梳理欧空局地面站设备概况及现状,重点阐述该地面网络的战略演变及未来发展。欧空局地面网络分布在全球各地,为欧洲航天事业的发展乃至其他国家和地区的航天活动提供了有力的地面设施保障和支持。目前,该地面网络平均每年运行15000个小时,每年平均服务20多项航天任务。

从1968年开始,欧空局通过与其他组织机构合作,对地面站网络进行扩展,同时最大程度地保持系统之间的通用性和完整性,确保其经济高效的运行。欧空局地面网络根据用途可分为三个部分,分别为近地网、深空网、发射及初期轨道阶段(星箭分离至卫星入轨)跟踪网络。其中近地地面网络开发启用时间最早,进入本世纪以来,随着航天科学技术的不断发展,欧空局的地面网络部署重点转移到了发射及初期轨道阶段基础设施(包括法属圭亚那库鲁,肯尼亚Malindi和澳大利亚New-Norcia)和深空基础设施(位于澳大利亚,西班牙和阿根廷)的建设上。同时,欧空局通过签署合作协议与商业公司建立合作伙伴关系,以补充欧空局的地面系统能力。

上世纪六七十年代,欧空局地面网络的建设重点是近地网。在太空探索时代的初期,欧洲发起了运载火箭和地面基础设施建设计划。七十年代初期,欧空局开始在全球部署15m口径天线,包括比利时Redu站,西班牙Villafranca站,德国Odenwald站,瑞典基律纳站,法属圭亚那库鲁站。这一时期建设的近地地面站网络为欧洲航天地面系统的发展打下了良好的基础,比利时Redu站、瑞典基律纳站、法属圭亚那库鲁站至今仍是欧洲地区开展航天活动的重要基地。

在八十年代,该局在澳大利亚Carnarvon建设了一套地面站,以支持欧空局首次深空任务——彗星观测任务(Giotto)。该天线于1986年移至Perth。九十年代,随着以机器人彗星探测器计划(Rosetta)为首的深空探索计划的发展,欧空局决定在澳大利亚New-Norcia安装另一个深空天线。该天线的落成仪式于2003年3月5日举行。随后分别在2005年和2013年添加了另外两套天线,分别位于西班牙Cebreros和阿根廷Malargüe,构成了现有的深空网。

2008年,欧空局在葡萄牙亚速尔群岛的Santa Maria岛上部署了一套5.5米口径天线设备,以跟踪阿里安运载火箭(Ariane)。随后欧空局部署了另外两套小型天线,分别位于澳大利亚New-Norcia和肯尼亚Malindi,用于支持发射及初期轨道阶段和运载火箭的跟踪。

在扩展自有地面站网络的同时,欧空局与其他机构建立了合作网络,例如美国NASA,日本JAXA,法国CNES,德国DLR,意大利ASI等各国航天局。图1为欧空局现有地面网络布局,图中绿色为与其他航天局的合作站;橙色表示由商业实体代表欧空局运营的地面站,主要支持日常任务和发射及初期轨道阶段任务,包括SSC的夏威夷South Pole站、智利圣地阿哥站、澳大利亚Dongara站以及KSAT的南极Troll站和挪威Svalbard站。蓝色表示欧空局核心地面站,位于七个国家,除了由澳大利亚New-Norcia、西班牙Cebreros、阿根廷Malargue三个地面站构成的深空网络以外,核心地面站还包括库鲁站、比利时Redu、葡萄牙Santa Maria和瑞典基律纳站。核心站的产权归欧空局所有,由位于德国的欧空局运营中心运营,以支持重要探测任务。


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图1 欧空局地面站网络

随着任务数量的增加和商业地面基础设施的发展,欧空局近年来采取了以下几点战略方针:第一,继续维护开发用于深空探测、天文研究和对地观测任务的战略性自有地面站,用于支持关键任务的发射及初期轨道阶段和运载火箭跟踪等任务;第二,开拓与其他航天局的合作伙伴关系,共享地面站资源,包括欧洲各国和其他国家航天局和相关机构;第三,建立商业合作伙伴关系,以支持日常近地任务,并将部分地面站设备移交给商业公司或其他国家主体运营,以提高欧空局在欧洲的商业竞争力并专注于自身核心任务的支持和地面系统运营。

在过去几年中,欧空局将三套地面站所有权转移给了其他主体。2015年,由于城市化进程的需要,澳大利亚电信部门撤回了澳大利亚Perth站的频率许可。欧空局决定将一套15m天线的所有权转移给葡萄牙政府,该设备于2018年在葡萄牙Santa Maria地面站重新开始进入运营,目前面向多元化主体提供商业服务。位于西班牙Villafranca和Maspalomas的天线也于2017年移交给了西班牙国际组织,目前同样用于提供商业服务。


02 近地网络发展动态


1)近地网络基础设施:

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表1 近地网络地面站设备概况

根据欧空局与瑞典政府之间的一项国际协议,欧空局自1986年起开始使用位于瑞典北部的基律纳站。基律纳两套天线可提供测控数传服务和无线电测量(测距,测速)。这两套天线目前主要支持的任务包括CryoSat遥感卫星(用于观测两极地区冰川融化和海平面升高现象),Integral伽玛射线天文卫星,Swarm系列三颗卫星(研究地球磁场)和哥白尼计划哨兵系列对地观测任务。其中CryoSat遥感卫星发射于2010年,预计运行到2023年后离轨,年均地面系统跟踪时长为4000多小时,约占基律纳地面站总使用量的20%左右;Integral发射于2002年,预计在2020年至2021年期间退役,年均跟踪时长为8000-9000小时,约占基律纳地面站总使用量的40%左右;Swarm系列三颗卫星预计在2022年以后退役,年均跟踪时长为3000小时左右,约占基律纳地面站总使用量的15%左右;其他任务约占25%,包括哨兵系列目前在轨的七颗卫星(六颗整星+一个有效载荷)和Aeolus气象卫星。

库鲁站是欧空局另一个核心地面站,该站得益于其优越的地理位置和天线设备独特的X波段性能,支持了多项重要任务的发射及早期轨道阶段和在轨阶段的测控。库鲁站主要服务的任务包括高通量X射线光谱任务(XMM)(发射于1999年12月)、伽利略导航卫星系统在轨验证阶段、Metop极地轨道气象卫星系列C星(发射于2018年11月)、Cluster系列4颗卫星的数据备份(研究地球磁层及其与太阳风的相互作用)、BepiColombo水星探测计划(发射于2018年10月)和SOLO太阳轨道器(发射于2020年2月)等。库鲁站是欧空局战略基础设施,使其能够自主执行关键任务。库鲁站的X频段发射及早期轨道阶段起到的作用很难被商业服务或国际支持所取代。从中期发展来看,库鲁站未来很有可能用于未来欧空局探月计划。

2)近地任务需求:

当前,对地观测任务测控通常在S波段进行,有效载荷的数传在X波段(8.025-8.4GHz)。大多数极轨地球观测航天器的相关地面站位于两极圈以内,由于可用带宽有限,地面站的集中分布增加了X波段的干扰和拥挤程度。这种干扰和拥挤不仅限于X波段,由于地面通信的需求,S波段也面临着类似问题。为了解决该问题并提供更高的数据速率,相关部门将25.5-27.0GHz的Ka频段划分给了欧空局,用于传输有效载荷数据。美国NASA和国家海洋和大气管理局(NOAA)联合研制的极地卫星系统(JPSS-1)(发射于2017年11月)和计划于2021年启动的第二代EUMETSAT极地系统/Metop等任务将以26 GHz的频率传输有效载荷数据,测控仍在S波段。这两个卫星系统测控和数传都将使用专用天线来完成。为了建立与卫星的可靠链路,26GHz数传需要口径小至6m的天线。

此外,从任务规划的角度而言,随着目前管理的卫星寿命逐渐耗尽,在未来的4-5年间,基律纳地面站将主要支持哨兵系列任务和计划2022年发射的多个遥感卫星,包括Earthcare(观测云层和气溶胶)、Biomass(观测植被)、Flex(观测植物光合作用)。

3)近地网络发展策略:

基于如上所述的任务需求,在未来的几年中,欧空局将对地面端设备进行一系列改造和升级,以提供更好的通信服务。该局考虑在原有的基律纳1号天线设备的基础上添加X波段上行和Ka波段接收能力。欧空局将通过可行性研究,评估设备改造的可能性。同时,也考虑购置6m口径S/Ka频段天线,以支持未来的对地观测任务。

03 深空网络发展动态

1)深空网络基础设施


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表2 深空网络地面站设备概况

如表2所示,深空跟踪网络作为欧空局地面核心网络的一部分,由三套地面站组成,分别位于西班牙Cebreos,阿根廷Malargue和澳大利亚New-Norcia,三点之间经度相距120度,在全球均匀分布。该深空网络主要提供遥测、遥控、跟踪、无线电测量(测距,多普勒, Delta-Do干涉测量)、无线电科学研究等功能。2019年1月,欧空局宣布计划在2019年年内在三套深空天线上安装低温冷却馈源,用于收发深空信号,新的天线可以在高频运行状态下,提高40%的下行数据量。该馈源必须冷却到10 K(与绝对零值仅10度之差,大约-263 C),才能正常运行。主要亮点为超高功率信号发射(超过25千瓦),相当于同时打开25,000部手机所传输的电量。该技术的原型天线由美国NASA研发,目前安装在加利福尼亚Goldstone,已在2018年成功完成技术测试。

深空网络可执行一系列任务,包括行星探索、天文学、太阳观测、探月等。一般情况下,地面站与深空探测航天器之间的距离超过200万千米,对于设备的性能要求较高。该深空网络自建成以来先后成功服务了机器人彗星探测器(Rosetta)和激光干涉仪空间天线技术试验任务(LISAPF),目前管理的在轨航天器包括火星快车号(MarsExpress)、火星探测计划(ExoMars)、金星快车(VenusExpress)、空间恒星望眼镜任务(Gaia)、水星探测计划(BepiColombo)、太阳系外行星特性探测卫星(CHEOPS)、太阳轨道器(SOLO)等。同时,该网络也为其他国家航天局的任务提供服务,作为相互合作和支持的项目,包括NASA的土星探测任务(Cassini)、洞察号火星探测器(Insight)和日本JAXA的隼鸟号小行星探测计划(Hayabusa)。

2020年1月30日,澳大利亚New Norcia 35m天线首次同时向火星快车号(Mars Express)和火星微量气体任务卫星(ExoMars TraceGas Orbiter)两个航天器发送了指令,分别使用了S频段(约2.8GHz)和X频段(8-12GHz)进行通信,并确保两个频段的信号没有相互干扰。此前,地面站可从多个接收器同时接收多个信号,但从地面向航天器发射信号在此前从未实现过双频同时发射。此次测试成功是提高欧空局全球地面网络灵活性的重要一步。随着深空探测任务量的增加,对于相应地面站的需求量也不断增加,在新的地面站建成之前,为了满足短期内的容量需求,单个天线与多个航天器之间的通信技术对于提高基础设施利用率有着非同凡响的意义。

2)深空任务需求:

除了目前已经在轨的深空探测航天器以外,正在计划中的任务主要有欧空局拉格朗日太空天气探测任务(L5Space Weather)、美国NASA大视场红外巡天望远镜(WFIRST)、欧几里得空间望远镜(Euclid)等潜在任务,均计划在未来五年内发射。中长期发射计划包括X射线高级望远镜(ATHENA)、行星过境太空望远镜(PLATO)等。

通过分析现有和计划中的深空任务需求,可以预测从2021年开始深空地面站使用量将有较大幅度增长;到2023年,任务通信需求将超过目前可用容量的50%,预计平均每年需要26,000个小时的工作量。

3)深空网络发展策略

基于以上的任务预测,欧空局主要采取两个策略来满足深空探测任务需求。第一,考虑到地面站基础设施利用率和运维成本,该局将在现有的站址增加天线数量,而非开拓新的站址。2019年12月,欧空局宣布将在澳大利亚New Norcia添加第四套深空天线,以支持将于2024年发射的木星冰月探测器(JUICE)和小行星探测针(Hera)任务。该站将补充NASA位于Tidbinbilla(堪培拉附近)的基础设施,提供相互支持。为促进与澳大利亚的合作,欧空局将与澳大利亚相关部门合作,共同投资建设该站。新的设备将在2023年完工,2024年中旬进入运营。此外,在阿根廷Malague,新的深空天线将覆盖南美地区,目前该地区只有中国的地面站,但欧空局与该地面站尚无合作关系,因此也考虑在阿根廷站址添置另一套地面站。

第二,尽可能重复利用现有的基础设施。欧空局将通过开拓新的合作关系,将更多的现有基础设施包含到深空地面网络中,可能合作的地面站包括德国DLR的Weiheim、意大利Sardinia深空站、英国Goonhilly站。英国Goonhilly站是欧空局首次使用商业地面站服务进行深空探测任务,该站32m天线建于1985年,将通过天线设备改造提高数据传输速度,使天线性能能够满足深空探测任务需求,目前项目资金主要来自英国企业,设备正在改造中。

04 发射和早期阶段网络

1)发射和早期轨道阶段网络基础设施

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位于澳大利亚New-Norcia的另一套天线主要用于运载器跟踪,可跟踪极轨、高轨和地球同步轨道、太阳同步轨道航天器。该站可为维加火箭极地低轨发射时的星箭分离阶段提供实时监控,预计每年平均参加5-6次发射活动,是一个相对合理的工作量。该站替代了之前的Perth站,为深空任务的早期发射跟踪阶段提供服务,入轨后的跟踪任务由该站的另一个35m天线负责。这两套天线结合了宽波束(35m)和窄波束(4.5m),可提供有效的X频段跟踪能力。迄今为止,该站累计支持了14次发射活动。

葡萄牙SantaMaria站用于跟踪阿里安5火箭向国际空间站发射自动转移运载(ATV)货运飞船。得益于大西洋中部独特的地理位置,该地面站随后参与了ATV系列5次发射任务及之后的伽利略导航卫星发射任务(每年1-2次)。目前,该站支持所有从欧洲发射场发射的运载器跟踪任务,包括阿里安2火箭、维加火箭、联盟号火箭等,与阿里安公司(Ariane)和法国CNES航天局有着紧密的合作关系。该天线S频段主要用于火箭跟踪,X频段用于探测和商业活动。迄今为止,该站累计支持了16次发射活动。

肯尼亚Malindi天线从短期来讲,主要支持水星探测计划(Bepi-Colombo)和预计在2021年发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWT);长远来讲,很有可能与库鲁站一同支持未来的探月任务。此外库鲁站和基律纳站也具备发射及早期轨道阶段任务执行能力。

2)发射和早期轨道阶段任务需求

在接下来的十年中,欧空局将执行约20次发射及早期轨道阶段任务,每年平均两次。同时将配合阿里安公司,每年支持6次发射任务,主要由澳大利亚New-Norcia和葡萄牙Santa-Maria站提供服务。

3)发射和早期轨道阶段网络发展策略

现阶段,现有的设施能够满足目前的任务需求,短期内没有建站计划。

05 总结

进入太空仍然是欧洲的战略目标之一,在这样的大背景下,未来的太空飞行任务在数据吞吐量、工作频段等方面的要求将越来越苛刻,优化成本和尽可能共享地面设施是欧空局地面网络发展的大方向。为此,欧空局表示将不断开拓合作伙伴关系,通过合作模式或资产共有的模式,实现地面设施的使用和相关运营成本的最优化。欧空局已经开始着手实施这种发展战略,并已开始与伙伴机构进行讨论,未来空间段和地面段活动都将需要加强合作。此外,无论是近地,发射及早期轨道阶段还是太空探索,新技术的开发仍然是战略目标。为此,需要进行大量的研究,为将来的需求做充分的技术储备,以改善地面网络的性能。

(本文部分内容翻译自国际航天大会会议文章《ESA Tracking Network-A European Asset》)



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