在欧洲一侧增加深空联系

2005年9月28日(公历),欧洲空间局(European Space Agency,简称ESA)在西班牙阿维拉省的塞夫雷罗斯举行新地面站揭幕仪式。这座配有35米天线的台站,是该局继澳大利亚新诺尔恰站之后建设的第二座同级深空通信设施,首项主要任务是支持金星快车探测器。

选址须考虑地球自转造成的通信窗口。建站报告指出,新天线需要布置在经度与澳大利亚天线相差约120度的位置。马德里附近的欧洲空间天文学中心原本地理条件合适,但周边城市开发可能产生干扰。塞夫雷罗斯远离人口密集区,又接近该中心,兼顾了通信条件和运行便利。

选址程序于2002年4月启动,采购于2003年2月开始,2004年春在美国国家航空航天局(NASA)旧地面站的场址动工。加拿大SED Systems公司牵头工业联合体,德国Vertex Antennentechnik制造天线,西班牙企业分别承担塔基设施和旧建筑整修。天线结构于2004年11月装配,新天线于2005年8月完成,随后进行最后测试。

参考:[1] [3]

把微弱信号送入接收机

天线反射面由304块面板组成,排成七圈。它能够以X波段发送指令、接收遥测,并接收频率为31.8至32.3吉赫的Ka波段信号。建站报告给出的最大指向误差为0.006度;刚性结构、指向校准与温度补偿共同帮助大口径天线对准远处探测器。

天线内部的波束波导使用一块布满精密孔洞的分频反射镜:X波段信号被反射,Ka波段信号穿过镜面,分别进入相应接收机。低噪声放大器冷却到15开尔文,以减少系统噪声;发送遥控指令则使用20千瓦功率放大器。数字接收系统兼有测距功能,氢脉泽为站内提供高精度时间基准。

参考:[1]

从验收测试到首次正式任务

2005年6月9日,尚在验收测试中的天线已成功接收并跟踪罗塞塔彗星探测器和SMART-1月球探测器的信号。工程人员还用发射无线电的恒星检查指向精度和天线性能。6月的工作证明设备能够工作,但当时报道中的9月30日全面准备就绪仍是预计日期。

金星快车实际于11月9日发射。次日,在该探测器第四次通信窗口内,塞夫雷罗斯接收其X波段载波,继而取得遥测数据,发出遥控指令,并开始无线电测量以测定位置和速度。下行遥测速率设为每秒91.4千比特。ESA在11月23日的回顾中把这次活动称为新站首次正式运行。

这次任务把地面站的三种工作连在一起:接收探测器报告的状态和数据,把地面控制指令送上太空,再用无线电测量帮助确定轨道。它发生在6月测试和9月揭幕之后,并非揭幕当天已经完成的任务。

参考:[2] [4] [5]

现场值守与远程运行

站长莱昂内尔·埃尔南德斯(Lionel Hernandez)和西班牙承包商的维护运行队伍,在金星快车发射及早期飞行阶段留守现场;来自ESA、SED Systems及比利亚弗兰卡站的人员也参加支援。按站长回顾,发射前两个月已经开始密集训练,每周进行两次任务准备测试,还跟踪罗塞塔和火星快车演练。

现场值守持续到11月11日,此后转入通常的远程控制模式。日常操作由德国达姆施塔特的欧洲空间运行中心负责,关键任务阶段再安排人员在站内值守,以便出现故障时迅速处理。地面天线、控制中心和探测器的运行由此联成一套工作流程。

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初期检查中的数据往返

飞行运行团队2006年的报告记载,金星快车的近地调试阶段从2005年11月12日持续至12月15日。每天约七小时的塞夫雷罗斯通信时间,用于关键检查操作。第一周着重检查探测器分系统,其后四周测试科学仪器;由于探测器仍离地球较近,指令往返延迟较短,便于细致控制。

这些工作包括测试无线电收发设备、校准高增益天线方向图,以及检查仪器同供电、数据处理、遥测遥控系统的接口。团队还读取部分计算机存储区,留下机载软件的地面参照副本。11月22日,探测器上的相机从约350万公里外拍摄地月系统,这是机载仪器的成像测试,地面站承担通信联系。

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与其他深空站共同确定轨道

2005年12月,任务开始利用塞夫雷罗斯与新诺尔恰配合进行导航测试,也使用NASA深空网台站。此后巡航期间,除了塞夫雷罗斯的常规联系,另安排约五十个NASA台站通信窗口,取得独立来源的多普勒与测距数据,帮助确定轨道。

任务还采用差分单向测距技术,让两座地面站同时测量探测器与河外类星体的无线电信号,提高位置测定精度。金星快车在2006年4月进入金星轨道,5月7日达到科学运行轨道后,日常联系继续通过塞夫雷罗斯进行。这座新站由建成的天线,转成了持续支持行星探测的测控节点。

参考:[5]