摘要
“天问一号”火星探测器超高频（Ultra high frequency， UHF）频段中继通信系统作为中国首次火星探测任务实现的重要组成部分，负责为着陆巡视器与环绕器之间在火星进入、下降、着陆阶段（Entry， descent and landing， EDL）与火面巡视阶段提供高效可靠的通信服务。本文对中国火星探测器UHF频段中继通信方案进行了介绍，给出中继通信系统的组成、技术指标及链路设计方法，并对在轨飞行试验数据进行了分析。结果表明，全新研制的“天问一号”探测器UHF频段中继通信系统圆满完成了任务目标，其设计、实现和应用为后续中国深空中继通信系统研制提供了技术参考。
火星是人类深空探测的重要目标之一，地火之间建立高效、稳定的通信链路是火星探测任务顺利完成的重要前提和基本保障。采用高通信能力、低通信成本的中继通信技术向着陆器提供火星进入、下降和着陆（Entry，descent and landing， EDL）以及火星表面中继通信服务被视为地火通信传输的优选方
在发射段、地火转移段和火星捕获段，“天问一号”火星探测器的环绕器和着陆巡视器为探测器组合体状态，地面测控系统经环绕器X频段直接对地链路实现对环绕器及着陆巡视器的控制和状态监视，着陆巡视器无射频测控数传链路需求。
在火星停泊段，着陆巡视器超高频（Ultra high frequency，UHF）频段中继通信设备需开机，与环绕器配合，完成UHF频段中继通信自检，并开始提供UHF频段中继通信链路。
在离轨着陆段，火星EDL前，环绕器和着陆巡视器分离，此过程中需要保持UHF频段中继通信链路，地面测控系统经环绕器通过UHF频段中继通信链路对着陆巡视器进行控制和状态监视。在EDL开始后，着陆巡视器无前向链路控制要求，此时仅需保持UHF频段中继返向通信链路，地面测控系统经环绕器通过UHF频段中继返向链路对着陆巡视器进行状态监视。
在着陆巡视器着陆火星表面后，地面测控系统通过环绕器UHF频段中继链路对着陆巡视器进行控制、状态监视并传输业务数据，或者通过X频段对地链路对着陆巡视器进行控制和状态监视。其中探测器UHF频段中继通信链路见
图1 “天问一号”探测器UHF频段中继通信链路
Fig.1 Relay communication link of UHF frequency band of Tianwen-1 probe
目前，国际火星中继网络中的轨道器，除了中国的“天问一号”环绕器外，仅NASA的火星奥德赛、火星勘察轨道器（Mars reconnaissance orbiter， MRO）以及ESA（European space agency）的火星快车仍在轨运行，支持着火星探测中通信和导航的需要。而在火星表面工作的探测器，除了中国的“祝融号”火星车外，仅有NASA的“好奇号”“毅力号”等处于工作状
NASA的火星探测器中继通信系统均采用UHF频段，系统在设计上基本相同。以“好奇号”的UHF频段通信子系统为例，其UHF频段通信子系统包括2台UHF应答机、2台多工器、2个同轴开关以及3个UHF天线，见
图2 NASA“好奇号”UHF频段通信子系
Fig.2 Communication subsystem of UHF band of NASA Curiosity
在EDL段，除了X频段链路外，“好奇号”的3个UHF天线分时工作：PUHF天线从巡航级分离开始工作，直至背罩分离前；DUHF天线在动力下降段工作；RUHF天线从巡视器分离后开始工作，而整个表面巡视任务的UHF频段中继通信都由RUHF天线完成。
“天问一号”探测器UHF频段中继通信系统组成见
图3 “天问一号”探测器UHF频段中继通信系统
Fig.3 Relay communication system of UHF band of Tianwen-1 probe
在两器分离及EDL阶段，由进入舱通过UHF频段收发信机和UHF频段中继天线与环绕器建立双向中继通信链路。
火面巡视探测阶段，由火星车通过UHF频段收发信机和UHF频段中继天线与环绕器建立双向中继通信链路。具体工作模式详见
UHF频段中继系统采用曼彻斯特编码辅助残留载波BPSK调制的方式实现。通过采用小于π/2（弧度）的调制指数，使得信号频谱中出现离散（残留）的载波分量。同时，曼彻斯特编码功率谱密度在零频率处为零，调制信号与残留载波分量可以有效分离，通过精细滤波和窄带宽环路跟踪，实现对载波的提取跟踪。
针对残留载波调制的特点，利用科斯塔斯鉴相跟踪方式，将载波锁定在I支路，信息锁定在Q支路，避免解I、Q相位翻转的问题，减小了处理复杂度；通过多级滤波抽取模块，提取出各速率档抽头，将除载波以外的其他信息全部滤除，实现极低信噪比的跟踪；利用曼彻斯特编码的特点，将各速率抽头上的Q支路信号进行匹配相关和能量积分，通过正负能量累加判决，可在没有先验信息的情况下判断出当前传输数据的速率，实现通信码速率的自适应估计与解
UHF频段中继通信系统双向通信采用CCSDS邻近空间链路协议（Proximity‑1）。火星探测任务的通信距离远，地面遥控指令时延大且弧段时间有限，无法实时控制，UHF频段中继通信的智能化和可靠性需求迫切，具体包括：需具备自主建立通信及结束通信的能力，从而摆脱对地面精确控制的依赖；需具备智能变更通信参数的能力，从而以紧贴信道的香农限进行通信，使通信弧段内传输的数据量最大；需具备自主错误重传的能力，确保前向指令和返向科学探测数据的正确性；具备重传跳出的能力，确保中继通信不中断。
（1）通信自主建立及自主结束设计
通信自主建立通过握手反馈确认的方式进行，其状态转换图如
图4 通信建立状态转换图
Fig.4 State transition diagram for communication establishment
通信自主结束通过感知信号强度的方式进行，其状态转换图如
图5 通信结束状态转换图
Fig.5 State transition diagram for communication ending
（2）通信速率自适应切换设计
通信速率自适应切换通过接收端自主感知信道的信噪比、同各速率档要求的通信门限进行比较、自主发起参数变更的方式实现，其状态转换图如
图6 通信速率切换状态转换图
Fig.6 State transition diagram for communication rate switching
信噪比估计是通信速率自适应切换的重要环节。传统信噪比估计方法包括数据拟合法、信号方差比估计法、平方信噪方差比估计法以及二阶四阶矩阵法，用这些信噪比估计算法进行估计时需要矩阵分解，复杂度较高。UHF频段中继通信系统采用基于子空间跟踪的盲信噪比估计算法和基于最大似然方法的盲信噪比估计算法，在较低空间复杂度下可以实现更好的信噪比估计性能。
（3）前返向高可靠通信设计
UHF频段中继的前返向高可靠通信通过回退N帧自动重传请求（Automatic repeat request， ARQ）实现，并且采取基于丢帧点播的方法，自适应切换当前ARQ发送序列，可以实现高效重传，并保证通信的可靠性，其设计方案如
图7 ARQ设计方案
Fig.7 ARQ design scheme
UHF频段中继通信采用CCSDS Proximity‑1全双工协议，因此前返向链路的吞吐量存在相互制
（4）重传跳出设计
如果接收端无法正确反馈PLCW，或者发送端不能正确地接收PLCW，整个中继通信过程会因此中断，导致信道堵塞。所以，UHF频段中继通信系统引入了跳出机制，即接收方实时监测其发送的PLCW帧号，在帧号发生变化时计时器清零并计时，进行一定时间的监测和状态判读，如判断出进入异常ARQ状态，则触发ARQ跳出机制。
UHF频段中继通信系统在两器分离、EDL、着陆巡视器着陆至寿命结束工作。其中，在两器分离至着陆巡视器着陆前作为地面控制、监视着陆巡视器状态的唯一手段；在着陆后作为地面控制着陆巡视器及着陆巡视器下传业务数据的主用手段。
（1）两器分离至环绕器抬轨
两器分离按照约0.5 m/s分离速度进行分离，当两器相距距离大于30 m时（约1 min），通过延时指令开启着陆巡视器UHF频段收发信机发射机，中继通信处于单工状态。在此过程中环绕器UHF中继通信设备的接收、发射部分引入50 dB衰减，防止近距离下接收功率过大，造成接收机损坏。约1 h后，环绕器升轨。
（2）环绕器抬轨完成至着陆巡视器火星大气进入
环绕器升轨完成后，两器距离约为1.5 km。在升轨过程中通过开关切换，取消环绕器UHF通道中的衰减。进入舱UHF频段收发信机工作在单工状态，通过UHF频段前向链路传输着陆巡视器遥控以及注入数据，通过返向链路下传着陆巡视器器务和业务数据。
（3）EDL阶段（背罩分离前）
着陆巡视器EDL过程中，中继通信保持前、返向链路。此过程，着陆巡视器进行气动减速，可能会有一段时间黑障，期间无法进行中继通信。打开降落伞后，姿态处于不稳定状态。着陆巡视器在EDL过程中抛除降落伞和背罩，此时背罩天线与收发信机脱离。着陆巡视器通过分离信号触发和提前注入延时指令两种手段关闭进入舱UHF频段收发信机，打开火星车UHF频段收发信机。
（4）EDL阶段（背罩分离后）
背罩分离后直至当圈中继通信弧段结束，中继通信保持前、返向链路。背罩分离后通过分离信号触发和提前注入延时指令两种手段开启UHF频段收发信机，处于单工状态，直至着陆后10 min左右，UHF频段收发信机通过程控指令控制关闭发射机，进入全双工状态，并作为响应方等待环绕器发起中继通信。落火后，着陆巡视器UHF频段中继天线对环绕器覆盖弧段与EDL过程持续时间有关，EDL过程越长落火后天线覆盖弧段越短，在考虑着陆姿态偏差的情况下，无法保证落火后一定有UHF频段中继天线对环绕器覆盖的弧段。
（5）火星表面工作阶段（环绕器中继轨道运行）
环绕器在与着陆巡视器分离后，需调整进入中继通信轨道，实施为期约3个月的中继通信任务，并兼顾科学探测。为保证稳定的中继通信弧段，中继轨道设计成天回归轨道，考虑到停泊轨道和遥感轨道的衔接，探测器标称中继轨道选择1天运行3圈的回归轨道，轨道周期约8.2 h。UHF频段中继通信链路的前向码速率为32 kb/s（编码后），返向码速率根据两器距离可在1~2 048 kb/s（编码后）间切换。近火通信弧段时长约10 min，由于两器距离较近，返向码速率峰值可达到2 048 kb/s（编码后），可用于下传工程遥测和大数据量载荷数据等。远火通信弧段通信时长较长，可达数个小时，但通信距离较远，导致期间UHF频段中继通信返向码速率降至系统最低值1 kb/s（编码后）。
环绕器UHF频段中继天线，垂直安装在环绕器对火面上，电轴与环绕器对火面垂直；着陆巡视器背罩天线安装于着陆巡视器背罩上，其电轴与着陆巡视器+X轴重合。定义两器几何中心连线与环绕器+Z轴夹角为α，两器连线与着陆巡视器+X轴夹角为γ，定义角度示意图如
图8 两器分离后至EDL阶段天线覆盖角度分析示意图
Fig.8 Schematic diagram of antenna coverage analysis from separation to EDL stage
（1）两器分离至着陆巡视器进入点前覆盖范围
环绕器UHF频段中继天线波束角为±80°，方位角为0°~360°；着陆巡视器背罩天线俯仰方向与+X轴最大夹角为80°，方位方向上与-Z轴夹角为-100°~100°。
两器分离后（建立中继姿态）至着陆巡视器火星大气进入前，α和γ角均在天线波束角指标范围内，可以保证环绕器与着陆巡视器全程可见。天线覆盖仿真分析如图
图9 两器分离后至进入前α角
Fig.9 α angle from separation to entry
图10 两器分离后至进入前γ角
Fig.10 γ angle from separation to entry
（2）EDL阶段覆盖范围分析
从进入点开始至着陆，着陆巡视器完成开伞、抛背罩等动作导致姿态处于不稳定状态，γ角出现不规律变化。环绕器在对日定向姿态下，选择合理的绕+Z轴转动角度，可以使α角小于80°。天线覆盖仿真分析如图
图11 EDL段α角（环绕器绕+Z轴转动不同角度对比）
Fig.11 α angle of EDL stage (different angles of rotation around + Z axis)
图12 EDL段γ角
Fig.12 γ angle of EDL stage
考虑着陆姿态15°的不确定量，当俯仰角小于65°时，进入UHF频段中继天线波束范围内；俯仰角小于15°时，进入火星车UHF频段中继天线高增益区。火星表面中继通信角度及距离变化示意图如
图13 火星表面中继通信角度及距离变化示意图
Fig.13 Schematic diagram of relay communication angle and distance change on the surface of Mars
（1）两器分离至EDL阶段
两器相距30 m后，开始进行UHF频段中继通信（环绕器接收、发射通道含衰减），功率满足接收机最大输入功率要求。环绕器抬轨后，两器相距约1.5 km，在含通道衰减的情况下满足2 kb/s（编码后）通信需求；去除通道衰减后，功率满足接收机最大输入功率要求。整个EDL过程两器最大相距600 km时，返向通信码速率采用2 kb/s（编码后）。
（2）火面工作阶段
落火后，两器最大通信距离可达15 000 km，由于两器UHF频段中继天线在不同的波束范围区域内天线增益不同，仅能在两器UHF频段中继天线±30°波束内实现最远15 000 km通信。近火通信弧段前向码速率保持32 kb/s，返向码速率在1~2 048 kb/s间切换；远火通信弧段前返向码速率保持1 kb/s。
火面工作阶段，UHF频段中继通信时机示意图如
图14 UHF频段中继通信时机示意图
Fig.14 Schematic diagram of UHF band relay communication timing
2021年5月15日7时17分58秒，着陆巡视器成功着陆至火星乌托邦平原南部预选着陆区。
图15 EDL段接收信号功率在轨实测结果
Fig.15 Actual measurement results of received signal power in EDL stage
2021年5月17日8时15分37秒，环绕器执行第4次近火制动进入中继通信轨道。2021年5月22日10时40分，火星车安全驶离着陆平台至火星表面。根据实际在轨火星车行驶工作规划，考虑UHF频段天线特点，每个火星日当地时刻14：00左右开展近火弧段UHF中继通信工作，通信窗口时长约为8 min；远火弧段，根据任务安排择机选取1 h进行UHF中继通信。其中，7月16日~7月28日间，由于环绕器过境窗口时长调整，中继数据下传受限，地面站接收数据量约为90 Mb/Sol，具体统计结果如
图16 寿命期内火星车UHF频段返向传输数据量统计
Fig.16 Statistics of the return transmission data of UHF band during the life period
国内外火星探测器中继通信能力比较如
“天问一号”火星探测器UHF频段中继通信系统在轨工作正常，圆满完成了中国首次火星探测任务工程目标。通过在轨飞行试验验证了火星探测UHF频段体制下的中继通信方案设计正确性，也验证了远距离、长时延条件下深空探测全自主中继通信技术的良好性能，为中国后续深空探测任务中地外天体表面探测器中继通信系统设计与关键技术的发展提供了宝贵经验，为实现深空探测器高效、大容量中继通信奠定了坚实的技术基础。
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