下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
空间通信技术的持续发展，使得深空测控应答机技术不断更新。随着最初的地球轨道航天任务向月球及其以外空间的扩展，早期的测控通信系统见证了测控应答机的诞生。这些早期测控通信系统基于L频段（960MHz左右）模拟射频接收机和发射机配对的应答机 ［1］ 。设计出的载波跟踪接收机能对从地球发射的上行链路载波进行锁相跟踪并解调遥控数据。在这些应答机中，接收机锁相跟踪振荡器输出提供了下行链路发射机的频率参考，因此当航天器接收机锁定时，下行链路载波频率与接收到的上行信号相干而不依赖于星载振荡器。此时地面站通过比较下行链路和上行链路频率测量航天器多普勒变化率，这样测量结果就与航天器上振荡器无关。现在仍然应用这种具有相干转发比的应答机测量双向多普勒变化率。其他测量如航天器距离或伪距变化，则可通过在地面站测量接收的下行链路载波和发送的上行链路载波的延迟周数得到 ［1］ 。对于月球以远的距离测量，测距应答机最终发展成利用调制在载波上的测距码进行航天器的精确距离测量，更遥远的距离上则要求航天器上具备伪码再生能力，从而隔离上行噪声。
提高载波频率具有提高地面站和航天器天线增益的效果，从而可提高数据传输速率、增大航天器到地面的距离和/或降低航天器发射功率，并相应地提高测量性能。20世纪60年代NASA深空网（deep space network，DSN）开发了用于上下行链路的S频段能力。到达火星的“水手号”任务便利用了上述性能，其通信系统的频段提高到S频段（2.3GHz左右），从而首次实现了将图像从火星传输到地球。20世纪70年代中期，航天器上装备了S/X双频下行链路（两个下行链路频段的信号是相关的，来自同一个参考信号）。水手号和海盗号演示了双模S/X频段（2.3GHz/8.4GHz左右）下行链路，使用S频段下行链路作为主要的通信方法，并同时使用S/X频段下行链路对日冕和重力影响进行了地基的无线电科学观测 ［1］ 。1989年，DSNe增加了X频段上行链路能力。麦哲伦号探测器第一个使用这种能力并能够发射由X频段上行链路信号产生的相干S/X下行链路信号。在20世纪90年代发射的多数深空探测器只发射和接收X频段信号。而卡西尼号能够工作在X频段上行链路和X/Ka相干下行链路。计划在21世纪进一步使用Ka频段。向更高频段发展的主要驱动因素是期望通信性能更好，同时频率更高、波长更短，这样电离层和太阳等离子区中带电粒子的影响越小，因而也提高了无线电测量的精度。
深空测控应答机性能和功能的改善是电子技术进步的必然结果。卷积码的应用提高了下行遥测传输速率。可再编程的应答机数据速率允许在各任务的不同阶段对链路进行优化。虽然S频段应答机现在仍广泛应用于近地轨道航天器以及其他近距离通信链路中，但是在深空测控通信中全X频段应答机已取代了以前的S频段应答机。现在出现的Ka频段（32GHz左右）发射机进一步增强了现有X频段应答机的能力，它既可以提高数据传输速率也能够提高无线电科学性能。无线电科学也已成为推动深空测控通信系统发展的动力。无线电科学对测控通信系统日益增长的要求导致需要一些新的配置，其中包括配置超稳定振荡器（USO）用于单向下行链路无线电科学。“新地平线”任务有一个新的上行链路接收机和无线电科学分系统，以支持在与冥王星相遇期间的单向上行链路无线电科学 ［2］ 。
基于上述发展思路，美国国家航空航天局（NASA）已经发展了三代专用深空测控应答机：最初为满足卡西尼（Cassini）任务研制了第一代深空测控应答机（deep space transponder，DST） ［3］ ，该应答机在火星探路者（Mars Pathfinder）、火星勘探者（Mars Surveyor）以及星尘（Stardust）等任务中得到应用；之后，为满足日益增强的深空测控需求并降低研制成本，设计开发了新一代小型深空测控应答机（small deep space transponder，SDST） ［4］ 。SDST在深空一号（DS-1）任务中进行了飞行验证，此后在火星奥德赛（Mars Odyssey）、火星探测巡视器（Mars Exploration Rover）、深度撞击（Deep Impact）、火星勘察轨道器（Mars Reconnaissance Orbiter）等任务中得到应用；为满足2010年以后的深空任务的需求，NASA开始研究高级深空测控应答机（advanced deep space transponder，ADST），其设计思想是在保持现有功能和性能的基础上，增加应答机的新功能并提高性能，同时进一步降低功耗、重量以及研制成本，ADST的重量、功耗以及成本都要降到SDST的一半以下。
欧洲航天局（ESA）也发展了两代深空测控应答机，分别为第一代S/X双频段深空测控应答机和新一代X/Ka双频段深空测控应答机。为避免重复，后续小节中将以ESA深空测控应答机发展为线索进行介绍。