基于深空探測器下行信號的太陽風(fēng)觀測及通信鏈路的影響綜述*

唐云秋，孔德慶

(1. 國家衛(wèi)星氣象中心/國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心，北京 100081；2. 中國科學(xué)院國家天文臺，北京 100012；3. 中國科學(xué)院月球與深空探測重點實驗室，北京 100012)

CN 53-1189/P ISSN 1672-7673

基于深空探測器下行信號的太陽風(fēng)觀測及通信鏈路的影響綜述*

唐云秋1，孔德慶2,3

(1. 國家衛(wèi)星氣象中心/國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心，北京 100081；2. 中國科學(xué)院國家天文臺，北京 100012；3. 中國科學(xué)院月球與深空探測重點實驗室，北京 100012)

在上合期間，日冕和太陽風(fēng)嚴重影響深空通信鏈路。論述了非均勻太陽風(fēng)對深空通信的影響，綜述了基于深空探測器下行信號的太陽風(fēng)觀測，以及通過反演技術(shù)進行太陽風(fēng)和日冕特性研究的國內(nèi)外進展。以我國的深空探測為背景，提出一套基于探測器下行信號的太陽風(fēng)觀測方案，并可利用現(xiàn)有探測器進行預(yù)先觀測研究。在我國深空探測任務(wù)開始后，在數(shù)據(jù)通信和測軌的同時，進行全過程的觀測實驗。

太陽風(fēng)；深空通信；強度閃爍；相位閃爍

隨著月球探測工程的成功實施，拉開了我國深空探測的序幕，更遠的火星以及其他行星際探測已經(jīng)提到日程。與近地衛(wèi)星通信相比，深空通信具有傳輸距離遠、信噪比低、傳輸時延大等特點，而且受太陽風(fēng)、日冕等太陽活動的影響，深空無線通信環(huán)境十分復(fù)雜，太陽風(fēng)的大量不規(guī)則帶電粒子導(dǎo)致無線電信號出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。尤其在上合期間(Superior Solar Conjunction, SSC)，當(dāng)太陽-地球-探測器夾角(SEP)較小時，或當(dāng)處于太陽活動周期時，有可能出現(xiàn)通信間歇式中斷甚至完全中斷的現(xiàn)象[1]。所謂上合即地球、太陽、深空探測器大致處于同一直線上，且太陽位于地球和探測器之間。圖1為太陽風(fēng)和日冕對深空通信的影響示意圖。

由于絕大部分深空探測器在黃道面內(nèi)運行，所以無可避免地會遇到上合問題。例如火星探測器約每兩年出現(xiàn)一次上合現(xiàn)象，太陽-地球-火星(SEM)的最小夾角基本小于1°。在伽利略探測任務(wù)中，上合的一個月之前便出現(xiàn)了明顯的下行鏈路衰減；在5天前(SEP角為2.9°)，已經(jīng)無法跟蹤遙測信號；直到 7 天后(SEP角為5.8°)才又重新獲得遙測信號[2]。對于地內(nèi)行星和太陽本身的探測， 太陽風(fēng)和日冕對通信鏈路的影響更加明顯。太陽探測器(Solar Probe)距離太陽表面的最近距離為幾個太陽半徑，任務(wù)成功的關(guān)鍵決定于空間天氣對通信鏈路的影響程度。圖2給出了Cassini號2000年觀測的太陽風(fēng)對信噪比(SNR)的影響情況，信噪比的波動最大超過10 dB[3]。

同時，太陽風(fēng)和日冕對通信的影響反映了其內(nèi)部的不規(guī)則結(jié)構(gòu)，通過反演技術(shù)可以實現(xiàn)對太陽風(fēng)和日冕的探測。太陽風(fēng)和日冕的觀測在太陽演化、太陽外層大氣、日地空間及地球物理研究中有重要的意義。傳統(tǒng)的利用射電源進行的行星際閃爍觀測，只能進行強度閃爍的測量，而當(dāng)太陽-地球-射電源夾角較小時會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，不適合近日點的觀測。而利用深空探測器下行信號不僅可以實現(xiàn)強度閃爍測量，還可以實現(xiàn)相位閃爍(多普勒閃爍)、頻譜擴展和法拉第旋轉(zhuǎn)的觀測。相位閃爍和頻譜擴展不僅反映了不規(guī)則分布的等離子體密度起伏，還與太陽風(fēng)速度有關(guān)，且頻譜擴展和相位閃爍不會飽和，因此對近太陽區(qū)域的探測意義重大。強度閃爍和頻譜擴展反映了小尺度等離子體密度的起伏，而相位閃爍能反映所有尺度的等離子體密度起伏，所以相位閃爍對探測太陽風(fēng)特性具有更重要的意義[3]。

圖1 太陽風(fēng)及日冕對深空通信的影響示意圖

Fig.1 Illustration of the geometry of impact of solar winds and the solar corona on deep-space telecommunications

圖2 太陽風(fēng)引起的信噪比波動(Cassini號， X頻段)[3]

Fig.2 Fluctuations of SNR for signals from the Cassini in the X band induced by solar winds[3]

基于深空探測器下行信號的觀測是對常規(guī)日冕物質(zhì)拋射、日球電流片等太陽活動觀測的重要補充。隨著距離的增加，太陽外層大氣的亮度急劇下降，地面望遠鏡無法實現(xiàn)較遠距離太陽大氣的有效觀測；同時由于環(huán)境惡劣，很難利用探測器進行直接測量；而利用無線電信號的觀測可以彌補這一不足，并且還可以與地面望遠鏡對近日點太陽風(fēng)進行聯(lián)合觀測。

我國還沒有開展利用深空探測器下行信號進行太陽風(fēng)和日冕觀測的研究。因此，以我國的深空探測為背景，開展基于探測器下行信號的太陽風(fēng)觀測研究，具有很大的理論和實用價值。

1 太陽風(fēng)對深空通信信號傳播的影響

太陽風(fēng)中帶電粒子密度不均勻，并且在太陽磁層內(nèi)部伴隨著明顯的波動。觀測表明，太陽風(fēng)等離子體密度大致隨徑向距離的平方反比下降，在4個太陽半徑內(nèi)，帶電粒子密度起伏極不規(guī)則。當(dāng)信號穿過這一區(qū)域時，信號的幅度、相位和頻率將不可避免地受到太陽風(fēng)的強烈影響[4]。在距離超過4個太陽半徑的區(qū)域中基本呈平滑分布。

平滑分布的等離子體，對無線電信號傳輸?shù)挠绊懼饕ㄈ貉舆t、色散、法拉第旋轉(zhuǎn)和吸收等。當(dāng)無線電信號穿過太陽風(fēng)中的不平滑區(qū)域時，除了受到平滑分布時的影響外，還將出現(xiàn)強度閃爍、頻譜擴展和相位閃爍等現(xiàn)象①。相對于非平滑分布的太陽風(fēng)影響，平滑分布太陽風(fēng)對信號的影響易于預(yù)測，且程度較小。

1.1 強度閃爍

當(dāng)無線電信號靠近太陽風(fēng)區(qū)域時，將被信號菲涅耳區(qū)(Fresnel Zone)的湍流介質(zhì)散射。當(dāng)無線電信號穿過這個區(qū)域時，由于電磁波路徑以及波前相位改變將導(dǎo)致信號幅度圍繞其平均值快速變化，從而引起信噪比(SNR)的瞬時下降。無線電信號的這種幅度起伏叫做幅度閃爍或強度閃爍。強度閃爍反映了太陽風(fēng)中小尺度(小于菲涅耳區(qū)半徑)帶電粒子密度的起伏。強度閃爍采用閃爍指數(shù)m描述，其定義為信號強度起伏的均方根值與信號強度的平均值之比。

在弱閃爍區(qū)域(0

(1)

式中，k為波數(shù)；a1為常數(shù)系數(shù)；R為太陽中心到信號傳輸路徑的最小距離；cn0是傳輸路徑近日點的結(jié)構(gòu)函數(shù)；L、L1和L2的定義如圖1。

圖3和圖4分別給出了X和Ka頻段閃爍指數(shù)隨SEP角的變化曲線。其中，離散點是由歷次深空探測器信號實際測量獲得；實線是根據(jù)理論公式繪制的閃爍指數(shù)曲線[6]，一種簡化的指數(shù)/多項式近似公式如下式：

(2)

式中，a1、a2、a3和a4為擬合的常數(shù)系數(shù)；θ為SEP角；θt為開始出現(xiàn)飽和(m=1)時的SEP角度。

1.2 頻譜擴展

當(dāng)接收的載波信號穿過非平滑分布的太陽風(fēng)時，帶電離子不均勻的折射率(或密度)會導(dǎo)致信號的多普勒頻移，從而造成信號的半功率寬度增大，即頻譜擴展現(xiàn)象。頻譜擴展與太陽風(fēng)密度波動和太陽風(fēng)速度有直接關(guān)系，而強度閃爍系數(shù)只與太陽風(fēng)密度波動有關(guān)[4]。

對于經(jīng)典的Kolmogorov譜，載波信號經(jīng)過太陽風(fēng)引起的頻譜擴展可表示為[7]

(3)

式中，v為太陽風(fēng)速度。上式同時適用于強閃爍和弱閃爍的情況[8]。

圖3 X頻段閃爍指數(shù)與SEP角關(guān)系*http://deepspace.jpl.nasa.gov/dsndocs/810-005/fm.pdf

Fig.3 A curve of the X-band scintillation index vs. the SEP angle①

圖4 Ka頻段閃爍指數(shù)與SEP角關(guān)系*http://deepspace.jpl.nasa.gov/dsndocs/810-005/fm.pdf

Fig.4 A curve of the Ka-band scintillation index vs. the SEP angle*http://deepspace.jpl.nasa.gov/dsndocs/810-005/202/202B.pdf

在X頻段，當(dāng)SEP角大于1°時B通常低于2 Hz，當(dāng)大于2°時B小于1 Hz；對于低于1°的情況，目前已知的當(dāng)SEP角接近0.6°時，X頻段的頻譜擴展達到14 Hz。對于Ka頻段，當(dāng)SEP角大于0.7°時B通常低于1 Hz；低于0.7°時，目前已知的當(dāng)SEP角接近0.6°時，頻譜擴展達到2 Hz。

對于深空通信鏈路，頻譜擴展顯得并不是那么重要，因為當(dāng)無線電信號傳輸路徑距太陽比較近時，強度閃爍早已對通信鏈路造成了大幅衰減。但是在進行地面接收機載波跟蹤環(huán)路帶寬設(shè)計時，尤其是在S、X等頻段 ，需要考慮由于頻譜擴展引起的環(huán)路失鎖問題。

1.3 相位閃爍

無線電信號穿過太陽風(fēng)區(qū)域時產(chǎn)生的快速相位變化，叫做相位閃爍。相位起伏將導(dǎo)致無線電信號的頻率變化。由于飛行器和地面相對運動會引起多普勒頻移，相位閃爍可以看作是多普勒噪聲，因此相位閃爍也叫做多普勒閃爍。測量相位閃爍的方法就是測量多普勒噪聲。圖5為Cassini號探測器2000年首次與太陽交會時的X頻段和Ka頻段相位閃爍(SEP=0.6°)。

文[9]給出了雙向通信模式下的多普勒均方根值的估計公式：

(4)

式中參數(shù)含義與(1)、(3)式相同。從式中可以看出，相位閃爍和頻譜擴展相似，與等離子體密度起伏和太陽風(fēng)速度有關(guān)，而且同樣不會飽和。

在導(dǎo)航系統(tǒng)中，為了通過相干獲得更高的測量精度，一般采用雙向閉環(huán)模式獲得導(dǎo)航數(shù)據(jù)。但是，當(dāng)閃爍較強的時候，必須謹慎地采取這種方式，因為過大的相位閃爍將使鎖相環(huán)頻繁產(chǎn)生跳周。因此，在近太陽區(qū)域探測時，必須采用單向開環(huán)(寬帶)接收機遙測[4]。

綜上所述，當(dāng)信號傳播路徑接近太陽時，強度閃爍會造成信號信噪比的強烈波動；頻譜擴展和相位閃爍會影響通信接收設(shè)備鎖相環(huán)路的性能，導(dǎo)致鎖相環(huán)相位噪聲增大，從而惡化多普勒測量精度，增大鎖相環(huán)失鎖概率②。幅度閃爍、相位閃爍和頻譜擴展都跟頻率相關(guān)，提高通信信號的頻率，可以有效降低不規(guī)則太陽風(fēng)對鏈路惡化的影響。

圖5 Cassini探測器首次與太陽交會時的相位閃爍(2000年，SEP=0.6°)[10]。 (a) X頻段頻率殘余; (b) Ka頻段頻率殘余

Fig.5 Frequency residuals of signals from the Cassini reflecting phase scintillations during the first solar conjunction of the Cassini (in 2000 with an SEP of 0.6°)[10]. (a) X-band frequency residuals. (b) Ka-band frequency residuals

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)分析

20世紀50年代已經(jīng)開始利用射頻信號的閃爍現(xiàn)象觀測太陽風(fēng)。最初利用射電源的閃爍現(xiàn)象，隨著探測技術(shù)的發(fā)展，無線電信號為觀測太陽風(fēng)提供了更有利的手段。

1967年，文[11]第1次利用Mariner 4的觀測數(shù)據(jù)研究了頻譜展寬與日冕區(qū)整體電子密度的關(guān)系；文[9]利用探測器Helios 1和2獲得了更多的近日區(qū)的頻譜擴展測量數(shù)據(jù)，并對電子密度與日心距的關(guān)系進行了研究；文[12]利用測距數(shù)據(jù)對日冕區(qū)的電子密度進行了建模；文[13]利用Mariner 6、7和9上合時的觀測數(shù)據(jù)研究太陽風(fēng)中的電子含量；文[7]利用Pioneer-6的頻譜擴展觀測太陽風(fēng)電子密度起伏的結(jié)構(gòu)。文[14]利用探測器Nozomi上合時的雙站觀測數(shù)據(jù)對距太陽13～37個太陽半徑的太陽風(fēng)速度進行了測量，結(jié)果表明太陽風(fēng)在13至30個太陽半徑處被加速[14]。

文[15]給出了帶電粒子對電磁波群速度的影響模型。在探測器Pioneer 6的上合期間，首次利用人工信號實現(xiàn)了日冕的法拉第旋轉(zhuǎn)測量[16]；文[17]利用Helios任務(wù)中的法拉第旋轉(zhuǎn)測量數(shù)據(jù)對日冕物質(zhì)拋射中的磁場進行了研究；文[18]利用穿過日冕的極化信號對太陽表面的引力偏折進行了測量。

利用探測器Pioneer 10、Pioneer 11和Helios 1在上合期間的觀測數(shù)據(jù)，文[19]研究表明，多普勒閃爍為太陽風(fēng)湍流的研究提供了一個極好的手段。文[20]利用雙頻信號的相位閃爍觀測研究太陽風(fēng)中電子密度的大尺度起伏，文[21]利用多普勒閃爍觀測行星際激波等。除了徑向依賴性多普勒噪聲，高動態(tài)的太陽風(fēng)會導(dǎo)致多普勒噪聲瞬變現(xiàn)象。統(tǒng)計研究表明，多普勒瞬態(tài)噪聲的發(fā)生在很大程度上取決于太陽活動周期的階段[22]。文[23]利用多普勒閃爍對外冕和太陽磁場(20～30R⊙)的超精細尺度的纖維結(jié)構(gòu)進行了研究，無線電傳播測量表明獲得的最小日冕絲狀結(jié)構(gòu)的精細程度比太陽成像高兩個數(shù)量級。

根據(jù)遙測數(shù)據(jù)統(tǒng)計特性，文[2]結(jié)合太陽探測器軌道的幾何模型建立了無線電信號幅度起伏的模型，研究了太陽風(fēng)對通信鏈路的影響。NASA在深空探測中進行了一系列研究太陽風(fēng)對深空通信鏈路性能影響的實驗，其中主要有NEAR[24]、MGS[9]和Cassini[1,25]等探測器聚合時的實驗。文[4]提出了太陽風(fēng)弱閃爍下的深空通信信道模型，但沒有分析強閃爍的情況，而實際上弱閃爍對通信鏈路的影響較小，強閃爍以及日冕物質(zhì)拋射、日球電流片等太陽活動對通信鏈路的影響更加致命。

文[26]分析了空間天氣小尺度的密度變化與太陽的關(guān)系以及對深空通信的影響，并提出利用這些觀測數(shù)據(jù)對通信鏈路影響進行預(yù)測的可行性?；谏羁仗綔y器信號的太陽風(fēng)觀測數(shù)據(jù)，與同時觀測的太陽和日冕望遠鏡的測量數(shù)據(jù)進行比對，研究了信號閃爍與太陽活動的相關(guān)性。圖6展示了對1997年的一次日冕物質(zhì)拋射進行觀測所獲得的資料。其中，太陽和日球天文臺(SOHO)先觀測到日冕物質(zhì)拋射的發(fā)生和傳播，如圖6(a)；在約20 h之后，從伽利略號的多普勒觀測數(shù)據(jù)中也得到了拋射物質(zhì)導(dǎo)致的閃爍突然增強現(xiàn)象，如圖6(b)；通過探測器信號與太陽的距離，可以實現(xiàn)日冕物質(zhì)拋射在遠離太陽后的傳輸速度的測量，如圖6(c)，而此時由于亮度太小，日球天文臺已無法直接對其進行觀測。上述實例可以說明，通過與光學(xué)、射電等太陽和日冕觀測設(shè)備的測量數(shù)據(jù)的聯(lián)合研究，實現(xiàn)對一些太陽活動的反演，以及對通信鏈路影響的預(yù)測是可行的。

圖6 日冕物質(zhì)拋射的觀測[26]。(a) 日冕物質(zhì)拋射(SOHO LASCO); (b) 多普勒閃爍(伽利略號); (c) 傳播時間與距離關(guān)系

Fig.6 Some CME (Coronal Mass Ejection) observations[26]. (a) CME events observed by the SOHO/LASCO; (b) Doppler scintillations measured by the Galileo; (c) A diagram showing CME propagation

目前，我國還沒有開展利用深空探測器下行信號進行太陽風(fēng)和日冕等太陽活動的觀測研究，對通信鏈路影響的研究也開展得很少。因此，針對我國的深空探測計劃，開展太陽風(fēng)和太陽活動的觀測與反演研究，及其對通信鏈路的影響研究具有非常重要的意義。

3 觀測方案

針對我國將來的火星、小行星和太陽等深空探測計劃，可充分利用國際上現(xiàn)有的或即將發(fā)射的深空探測器，進行預(yù)先觀測實驗?；鹦菍⒃?015年6月和2017年7月出現(xiàn)上合現(xiàn)象，金星將在2014年11月和2016年6月上合，木星的上合時間為2015年8月、2016年9月和2017年10月。可充分利用這些時機，分別對好奇號、火星快車、金星快車、Juno號以及其它適合觀測的深空探測器進行預(yù)先的觀測實驗；在我國深空探測任務(wù)發(fā)射后，應(yīng)在數(shù)據(jù)通信和測軌的同時，進行全過程的觀測實驗。

觀測實驗以密云站的50 m、云南天文臺40 m或其他大型天線作為接收設(shè)備，研制實時觀測系統(tǒng)，進行大量的單站實時觀測實驗。另外，充分利用我國的VLBI觀測網(wǎng)和終端記錄設(shè)備進行一定的非實時的多站觀測實驗，觀測完畢后利用數(shù)據(jù)處理軟件進行事后數(shù)據(jù)處理。多站觀測實驗的主要目的，一是可以通過多站的數(shù)據(jù)相關(guān)進行太陽風(fēng)傳播速度和方向的觀測，與單站太陽風(fēng)速度的反演結(jié)果進行對比；另外可以觀測太陽風(fēng)對VLBI測量的影響程度，以及群時延和相位差的補償效果。

測量項目應(yīng)包括強度閃爍、多普勒閃爍和頻譜擴展，并同時對測控信號和數(shù)傳信號進行觀測。圖7為基于深空探測器下行信號的太陽風(fēng)單站觀測系統(tǒng)示意圖。在實際觀測中，下行信號一般為多路信號，為方便在圖中只給出了一路信號的處理設(shè)備。頻率和時間模塊利用站內(nèi)現(xiàn)有的VLBI氫鐘設(shè)備和時統(tǒng)系統(tǒng)，為下變頻器和采集卡(ADC)提供頻率標準。信號經(jīng)放大和下變頻后，經(jīng)由ADC采樣后由現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)進行后續(xù)信號處理。現(xiàn)場可編程門陣列主要包括快速傅里葉變換、功率譜估計與積分、信噪比估計和數(shù)字鎖相環(huán)等模塊。原始數(shù)據(jù)和處理完成后的載波相位、信噪比和功率譜等數(shù)據(jù)被記錄到高速存儲設(shè)備內(nèi)。數(shù)據(jù)處理計算機實現(xiàn)對觀測數(shù)據(jù)的后處理，包括太陽風(fēng)特性反演、數(shù)據(jù)管理等工作。

圖7 單站觀測系統(tǒng)示意圖

Fig.7 A block diagram showing a single-station observation system for studying solar impact on deep-space telecommunications

4 結(jié)論與展望

綜上所述，在上合期間太陽風(fēng)和日冕物質(zhì)拋射會導(dǎo)致深空通信鏈路的嚴重惡化。另一方面，太陽風(fēng)和日冕對通信的影響反映了其內(nèi)部的不規(guī)則結(jié)構(gòu)，通過反演技術(shù)可以實現(xiàn)對太陽風(fēng)和日冕的探測。由于頻譜擴展和相位閃爍不會飽和，因此對近太陽區(qū)域的探測意義重大?；谏羁仗綔y器下行信號的觀測還是對常規(guī)日冕物質(zhì)拋射、日球電流片等太陽活動觀測的重要補充。

加強利用探測器下行信號開展日冕和太陽風(fēng)的觀測研究，無論對我國將來的深空通信，還是太陽風(fēng)的特征研究都具有非常重要的意義。后續(xù)工作以我國即將進行的火星等深空探測為背景，研制觀測設(shè)備，利用大型射電望遠鏡對國際上現(xiàn)有的或即將發(fā)射的深空探測器，進行預(yù)先觀測實驗和研究。在我國深空探測任務(wù)開始后，在數(shù)據(jù)通信和測軌的同時，進行全過程的觀測實驗。

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A Review of Observations of Solar Winds and Solar Impacton Deep-Space Telecommunications Using DownlinkSignals From Space Probes

Tang Yunqiu1, Kong Deqing2,3

(1. National Center for Space Weather, National Satellite Meteorological, Center of China, Beijing 100081, China,Email: tangyq@cma.gov.cn; 2. National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences,Beijing 100012, China; 3. Key Laboratory of Lunar and Deep-Space Exploration,Chinese Academy of Sciences, Beijing 100012, China)

Deep-space telecommunications will be severely affected by solar winds and the solar corona during a Superior Solar Conjunction. In this paper we discuss effects of inhomogeneous solar winds on signals in deep-space telecommunications. The effects include intensity scintillations, phase scintillations, and spectral-broadening phenomena. We then give a comprehensive review of observations of signal scintillations induced by solar winds and solar coronal events using downlink signals from deep-space probes. Our review is based on our investigation of dozens of papers related to the subject. We propose a scheme to observe signal scintillations using communication signals of existing space probes. The scheme aims to advance the Chinese deep-space exploration plan. The scheme can be applied in conjunction with data communications and orbital measurements of deep-space probes once the Chinese deep-space exploration starts.

Solar wind; Deep-space telecommunication; Intensity scintillation; Phase scintillation

國家自然科學(xué)基金 (10903016, U1431104) 資助.

2014-10-16；修定日期：2014-11-09 作者簡介：唐云秋，女，高級工程師. 研究方向：空間天氣. Email: tangyq@cma.gov.cn 通訊作者：孔德慶，男，高級工程師. 研究方向：射電天文技術(shù). Email: kdq@bao.ac.cn

O451

A

1672-7673(2015)03-0355-09