深空網低噪聲系統

前言

噴氣推進實驗室（JPL）是設在加利福尼亞理工學院帕薩迪納的一個研究部。JPL的歷史可追溯到20世紀30年代早期，當時畢業於加州理工學院古根海姆航空實驗室的學生Frank Malina，就他的畢業論文嚮導師Theodore von Karman提出了一個設計、建造和測試火箭發動機的建議。建議被接納後，Malina就開始著手研究工作。他很快挑選了兩個助手，而且他們的合作研究獲得了很大進展。實際上加州理工學院禁止他們進一步開展實驗（與噪聲過大有關），於是他們將實驗設備搬到了約距加州理工學院校園12km的一個乾燥的河谷內，正好在帕薩迪納市所轄範圍外，即現在的La Caada市，也是目前JPL所在的位置。

實驗在整個20世紀30年代都進展得很順利，直至第二次世界大戰開始，Karman將該項研究擴建成了一個新的實驗室，後來稱為噴氣推進實驗室。JPL的成功實驗使其在整個“二戰”期間和以後都獲得了美國陸軍的資助。此時，美國正在研製彈道飛彈，JPL參與了無線電跟蹤和飛彈控制項目，而這一跟蹤系統就是目前用於跟蹤太空飛行器的全球深空網（DSN）的先驅。

蘇聯在1957年發射了第一顆人造地球衛星。第二年，JPL併入新成立的國家航空航天局，自此，JPL及DSN就一直領導或支持著對太陽系每一顆行星和其他諸多天體的探測活動。

當前JPL的目標之一是更深入地了解太陽系的起源和演化，進而了解宇宙中生命的起源和進化。這一目標將由那些到達行星、行星的衛星、小行星和彗星的機器人太空飛行器來承擔。除此之外，JPL還支持探測宇宙邊界的許多宇宙飛行器的星載觀測，而且，這些探測活動所獲得的數據還在穩步增長中。而DSN的目標是從太空飛行器獲取遙測數據、向太空飛行器傳送遙控指令、獲取太空飛行器的位置和速度、進行甚長基線干涉觀測、進行射電和天文研究、為射電科學試驗測量無線電波的各種變化、蒐集科學數據、監視和控制測控網的性能。

DESCANSO系列叢書的主編Joseph H.Yuen規定了DSN技術的範圍和描述。本書是該系列叢書之一，闡述構成所有DSN地面站前端的低噪聲微波系統。微波前端是確定接收鏈路乃至整個地面站靈敏度和性能的關鍵。接收系統的靈敏度和性能用G/T值來表示，這裡G是天線增益，T是整個接收鏈路的總噪聲溫度，通常稱為系統工作噪聲溫度Top。為了提高地面站的接收能力，必須提高G/T值，它可以通過增大天線增益或減小Top來實現。過去，DSN既增大天線增益G，也減小系統工作噪聲溫度Top，但事實表明，在一定程度上減小Top比增大G會更加經濟和有效。

因為地面站的微波前端對於確定接收鏈路的靈敏度和性能至關重要，接收系統的設計者們有責任付出巨大努力來減小Top、標校和保持前端的低噪聲。Top確定的越精確，就越能減小太空飛行器任務設計中允許的容差，而減小太空飛行器功率設計容差能夠大大降低成本，對於同樣的太空飛行器功率而言，就意味著增大科學數據的傳送速率，或在這兩者之間進行折衷。因此，提高接收鏈路的校準精度是極其重要的。精確的噪聲溫度校準對於保持地面站的低噪聲性能也同樣重要，同時，天線增益的測量精度也非常重要。本書還介紹了目前天線校準和其他一些新技術。

在行星際距離上成功完成無線電通信很困難，也極富挑戰性。在DSN系統中為達到所需的系統靈敏度，都需採用極低噪聲的前端。本書描述了DSN中各種低噪聲系統，包括它們的開發、校準和操作，以及這些系統是如何用於跟蹤和科學試驗的。其中一章敘述前端的總系統噪聲溫度校準，其他章節詳細闡述幾種低噪聲接收機前端，還有大氣和天線增益的校準。

深空網低噪聲系統

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