4.6.1 通信数传分系统
通信数传分系统包括两大部分，与地面的通信数传，以及太阳帆探测器内部各个敏感器、控制部件以及中央处理器之间的通信数传。
1.与地面的通信数传
太阳帆作为以深空探测为主要应用的航天器，其与地面测控站的距离极远，增加了通信路径的损耗，为实现通信和测控，必须弥补如此巨大的损耗。距离过大引起天线能量发散，需要使用定向天线来集中能量指向地球。定向天线的增益受天线口径尺寸和传输载波频率的限制，假定地面接收站使用70 m口径天线，太阳帆上的通信频率为X频段（10 GHz），额外损耗10 dB（含指向误差、匹配误差和雨衰等），所设计的发射天线增益和不同比特率情况下的链路计算结果列于表4-26。
表4-26 通信链路表
从表中可以看出，对于3个天文单位的任务，40 W功率的发射机基本可以满足1 Kb和5 Kb的QPSK通信。为了能够显著提升接收机灵敏度，航天器设计安装超导量子干涉接收机（Superconductive Quantum Interference Device）。这是一种高灵敏度的磁通量传感器，并且可以把测得的磁通量转化为电压、电流等信号，具有极高的磁场灵敏度。通过MEMS技术，可以使得其质量约为200 g、功率为3 W，非常适合太阳帆使用。一般来说，10-11 V／M的功率密度，对传感器灵敏度的要求是10-14 T／Hz-2。目前较为先进的超导量子干涉产品的灵敏度大于10-16 T／Hz-2，完全能够满足对小信号的接收要求。
一个典型的太阳帆探测任务需要低增益天线、高增益天线，有时还会需要中增益天线。目前已经实际应用的高增益天线的质量在20～30 kg，超过太阳帆的承载能力。对于建立通信联络来说，希望天线的增益越高越好，但是天线的增益和天线的尺寸有关，无法无限制地提高。对于太阳帆任务来说，比较合理的天线增益是：低增益天线增益在6 dBi，中增益天线20～30 dBi，高增益天线不低于50 dBi。
•低增益天线设计
太阳帆镀铝聚酰亚胺帆面只有1～2 μm的厚度，基于微带线馈线的缝隙天线阵列的馈线宽度在0.06 mm（Er＝1）到0.03 mm（Er＝3）之间，不仅加工难度大而且易于损坏，所以考虑采用基于共面波导馈线的缝隙天线阵列。典型的共面波导（Coplanar Waveguide，CPW）馈电形式由一个中心导带及其两侧的两个无限大的共面接地板构成。其结构简单、无需过孔（从而避免了会对高频性能产生影响的寄生参数的产生）。其主体结构为单层金属板上刻蚀的缝隙，可以保证太阳帆获得足够的光辐射压力，这一系列的优势，使基于共面波导馈线的缝隙天线适合于将太阳帆帆面复用为天线的应用。
太阳帆帆面复用为低增益天线的方案采用在帆面蚀刻缝隙天线的方案。其结构示意图如图4-97所示。其中蓝色部分为帆面上蚀刻的开槽，灰色部分表示帆面上的铝膜。其中偶极子长度74 mm，共面波导中心导体宽度2 mm，共面波导缝隙0.7 mm，工作在S波段。低增益天线占用帆面面积较小，可以布置在帆面的任何位置上。低增益天线通常用来进行测控通信，为了保持良好的信号覆盖，可以使用多个低增益天线。低增益天线和太阳帆帆面完全融为一体，对于太阳帆来说，天线分系统的重量为“零”。图4-98所示为低增益天线的辐射方向图。
图4-97 低增益天线的组成示意图
1—帆面上的开槽；2—偶极子；
3—共面波导中心导体
图4-98 太阳帆“帆面”复用为低增益天线的辐射方向图（书后附彩插）
•中增益天线设计
太阳帆帆面复用为中增益天线的方案采用在帆面蚀刻缝隙天线的方案。其结构示意图如图4-99所示。其中蓝色部分为帆面上蚀刻的开槽，灰色部分表示帆面上的铝膜。基于目前的设计加工水平，天线选择15 GHz的操作频率，开槽宽度0.2 mm，偶极子宽度0.2 mm，偶极子长度7.4 mm，共面波导中心导体宽度0.6 mm，每个缝隙天线单元之间的距离为100 mm×15 mm。
图4-99 中增益天线的组成示意图
1—帆面上的开槽；2—偶极子；3—共面波导中心导体
简单地说，中增益天线可以被视为多个低增益天线组合而成的天线阵列，通过适当地调整天线的参数，以达到良好的匹配。中增益天线的覆盖角度，因为天线增益的提高而减少，所以对地球的可见时间变少，需要通过微调帆面的角度，来调整天线的波束角度。表4-27所示为中增益天线占用帆面与天线增益对应表。
表4-27 中增益天线占用帆面与天线增益对应表
•高增益天线设计
高增益天线的增益要求至少达到50 dBi以上，如果选择常规反射面高增益天线，因为其波束很窄，需要精确地对地指向才能保证通信链路的正常建立。为了实现精确指向，需增加转向机构，增加载荷的重量，或者通过太阳帆本身经常调整姿态以完成指向。而这两种方法一个增加载荷重量而不可取，一个需要经常调姿，增加太阳帆控制系统的压力。
所以，太阳帆通信数传系统的高增益天线方案为：在充气可展开的支撑臂上构建高增益天线，如图4-100所示。高增益天线尺寸见表4-28。
表4-28 高增益天线尺寸
支撑臂高增益天线方案：在垂直于地球公转轨道面的方向上，天线主波束被压缩在地球公转轨道面内（黄道面）。天线主波束在地球公转轨道面内的张角为90°，对地球公转轨道呈扇区覆盖（图4-101）。从而在水平面（地球公转轨道面）方向，无需调整天线指向。以53 dBi天线增益估算，垂直面（垂直于地球公转轨道面的方向）方向天线张角为0.2°，在三个天文单位的距离上，该张角对应1 570 777.635 km的覆盖距离（地球半径为6 378 km）。只要太阳帆保持带有高增益天线的支撑臂垂直于地球轨道面，就可以建立与地面测控系统的通信。
图4-100 高增益天线示意图
1—充气可展开支撑臂局部；2—薄膜天线
图4-101 Ka波段通信范围覆盖示意图
1—太阳帆；2—太阳；3—地球；4—Ka波束覆盖范围；5—地球公转轨道
薄膜天线采用双层薄膜结构的圆极化天线，每一层依靠充气臂的拉伸张力张紧，两层之间靠预置的小气室维持两层距离稳定。
2.太阳帆探测器上的无线通信数传
太阳帆上采用无线通信分系统取代中近距离设备间的传统有线线缆，减少了分系统设备的互联复杂性，减少了太阳帆探测器整体质量和体积，相应地也大幅减少了发射的成本，有利于帆面结构在空间的折叠展开。无线通信分系统用于实现太阳帆内部数据无线传输功能，主要针对各敏感器与中央主控机的数据交互，协调太阳帆全系统的工作，确保其运行正常。无线通信分系统主要功能如下：
采集太阳帆各敏感器的遥测参数，经缓冲存储、采样、信道编码和调制技术，生成无线帧，通过无线发射模块发送到中央控制计算机；接收主控计算机对滑块的遥控信号，将主控机的指令发送给滑块的微控制单元进行指令译码，进行电机控制，实现对滑块速度位置的闭环控制。实现太阳帆各敏感器节点、滑块与中央主控机的星型组网。
太阳帆无线通信系统是一个星型拓扑结构的中近距离无线通信系统，它由一台中央主控机、中心节点单元和多个敏感器子节点单元组成，其结构如图4-102所示。
图4-102 太阳帆无线通信网络拓扑结构
无线通信分系统的节点设备之间除了必要的电源线连接外，所有的数据通信方式均采用无线Zigbee协议。中央主控机和其他敏感器单元都内嵌无线数据传输模块。中心节点单元以RS422方式与中央主控机相连，兼具网络节点的终端和路由器的功能，除了处理打包本地主控机的指令信息并发布外，还对太阳帆其他敏感器和滑块发来的数据进行存储管理并发给主控机。
从图4-102中可以看出，无线通信星型网络终端包括：中央主控机、中心节点单元、敏感器子节点单元（数字太阳敏感器子节点、星敏感器子节点、模拟太阳敏感器子节点、红外地球敏感器子节点和滑块微控制器子节点）。
太阳帆各子节点终端都配备有一个嵌入式无线传输单元，无线传输单元的接口可以设置多种接口资源，兼容SPI、I2C等传信通信接口。无线传输单元包含电源管理模块、敏感器接口模块处理器模块和Zigbee射频模块。其中，处理器模块负责控制整个无线数传的操作，存储和处理敏感器采集发送的数据以及其他节点发来的数据；Zigbee射频模块采用Zigbee协议进行无线传输，负责与分系统的中心节点进行无线通信，将敏感器采集数据发送至中心节点；敏感器接口模块负责对敏感器信号进行简单的滤波处理，如有需要还需进行电平转换，然后送给处理器模块进行后续处理；电源管理模块负责对引入的二次电源进行滤波和电压转换，并分配给相应模块。无线传输单元的组成结构图如图4-103所示。
图4-103 无线传输单元的组成结构图
无线传输单元采用双冗余热备份方式，无线协议采用基于IEEE802.15.4的Zigbee协议，可根据需要对其物理层进行修改，提升发射功率和降低天线接收门槛值，以满足无线数据总线高速远距离的传输。
通信距离：太阳帆预期帆面展开后面积为160 m×160 m，即最远端与中心距离为110 m左右，因此在选择无线通信方式时要满足通信距离超过150 m的覆盖半径。
网络拓扑：由于太阳帆在展开过程中，各敏感器节点与中心节点时刻发生相对位置的变化（图4-104），因此需要引入路由协议，监控无线网络拓扑变化，建立维护和删除节点间路由，保证节点间信息的准确、高效和及时传递。
图4-104 太阳帆展开过程节点拓扑变化（书后附彩插）
传输速率：以往星上各敏感器和主控机之间采用RS422差分信号的屏蔽双绞线相连。资源卫星某型号的星敏感器的数据传输速率只有3.5 Kbps，而现有无线通信协议带宽大多都在100 Kbps以上，nRF系列、802.11协议、Zigbee协议都远远高于这个指标。
工作频段：太阳帆与地面进行测控通信采用的是S频段的2 025～2 300 MHz，因此太阳帆内部的无线通信协议需考虑到频带资源的影响，防止与太阳帆无线测控通信系统产生互绕。
Zigbee无线协议的主要性能指标如下：
■数据传输速率：250 Kbps；
■工作频段：2.4 GHz；
■传输方式：点到多点；
■连接设备数： ＞255；
■信号发射功率：2 mW；
■安全：AES-128加密算法；
■时延：15 ms；
■误码率：10-9；
■信道个数：16个；
■调制方式：O-QPSK；
■接收灵敏度：-85 dbm；
■无线媒体接入方式：CSMA-CA。