作为具有深空探测能力的国家，中国除继续深入月球探测外，还逐步以火星探测为切入点，统筹开展太阳、小行星、金星、木星等系统的探测。在深空探测中，测控系统的有效运行是整个探测任务成功完成的重要保证。美国已经建立了完整的深空探测网，该网是世界上最大、最灵敏的远程通信系统，由经度相隔120°的3个深空地面站组成，这些测控站分别位于美国加利福尼亚州格尔德斯敦、西班牙马德里和澳大利亚堪培拉。但由于政治、外交、安全保密等国情原因，我国的测控站都位于自己的领土范围内，理论意义上的建站要求^[1]很难实现，在执行深空测控任务时，对探测器观测时间短，视野受限。为了减少这些方面的影响，需要探索我国深空探测网的建设途径。

南极长城站是我国在南极建立的第一个科学考察站，建成于1985年2月20日，位于西南极洲乔治王岛西南部的菲尔德斯半岛的南端，地理纬度为(62°12′59″ S,58°57′52″ W)^[2]。如果考虑在该考察站建立深空跟踪站，一是与国内测控站南北位置互补和观测时段互补^[3];二是国际尚未认可任一国家对南极大陆的主权主张，建站和后期观测不涉及到政治和外交等方面的影响;三是南极长城站经过30 a的建设，各方面的设施较为完备。在南极区域，日本昭和站(69°00′ S，39°35′ E建有11 m口径的VLBI观测台站；智利与德国在智利内尔那多奥伊金斯将军站(63.32° S，57.9° W)合作建立了VLBI观测站，该站与我国的长城站毗邻，地质、气候等条件与长城站相近。国外VLBI站的建立为我国考虑在南极长城站建立深空测控站提供了借鉴。本文基于上述三个方面的考虑，并结合测控站的选址要求，分析了南极长城站建立深空测控站的可行性，为南极长城站的发展规划和深空探测网的国外选址提供参考和建议。

根据深空测控站的选址要求，可将站址选择的评价条件分为探测优势性、地质条件、气象条件、无线电环境和后勤交通保障五个方面，具体评价指标如图 1所示。

图 1 南极长城站建立深空测控站的可行性评价指标 Fig. 1 Evaluation Indexes for Foundation Feasibility of Deep Monitoring and Controlling Station in Antarctic Great-Wall Station

图选项

月球探测是我国当前正在开展的深空探测工程。随着科学技术的发展和我国经济实力的增强，月球探测的范围将逐步由月球正面向月球背面和月球两极发展。同时，探月内容越丰富，探月活动越复杂，对测控通信系统的覆盖率、导航能力的要求也越来越高。在月球正面完成了月球车探测后，我国也需要在月球南极进行着陆探测和建立月球基地，此时，在地球南极长城站建立深空跟 踪站，相对于我国国内测控站，测控的视野更广，与国内测控站的观测也具有互补性。在南极长城站建立深空测控站，可以对嫦娥工程后续任务的完成提供有效的支撑。

为了定量描述在南极长城站建立深空测控站的优势性，下面以地-月通信的改善情况为例进行模拟计算。在模型计算中，月面地形采用当前精度最高的LRO探测器获取的DEM模型^[4]，地-月轨道参数采用DEM421月球/行星精密星历计算得到，比较内容为月球南极月球车通信效率的改善情况和“嫦娥三号”落月地虹湾地区某处通信的改善情况。

图 2(a)、2(b)比较了2013年4月1日至6月30日期间月球南极的月球车与上海VLBI站和南极长城测控站的不可通信区域,其中黑色标记点代表了长久不可通信的位置。图 2(c)、2(d)比较了上海站和南极长城站的地-月通信效率。南极长城站和上海站与月球南极月球车在此时间段内不可通信的格网点统计结果如表 1所示。从图 2地-月不可通信的区域范围和地-月通信的效率比较可以看出，在月球南极站建立深空跟踪站，对将来要进行的月球南极月球车探测，其测控视野更广，效果会更佳。

图 2 利用LRO地形模型解算的月球南极的月球车与上海跟踪站和中国南极长城站建立 的测控站间地-月不可通信的区域比较以及地月通信效率图 Fig. 2 Unaccessible Communication Region and Communication Efficiency of the Lunar Rover from the Earth to the Moon in the Lunar North Polar and South Polar (Apr. 01-Jun.30,2013,Shanghai Station and the Controlling Station in Antarctic Great-Wall Station

图选项

综合上海跟踪站、乌鲁木齐跟踪站和南极长城测控站的联合观测，可以实现对月球探测器车的连续跟踪。本文选取了我国发射的“嫦娥三号”着陆虹湾区某位置(45° N,38° W)的月球车地-月通信情况，计算时间为“嫦娥三号”的发射时间2013年12月。通过模拟发现，通过中国上海站、乌鲁木齐站和南极长城站的联合观测，在虹湾地区的地-月通信基本是畅通且连续的，在南极长城站的观测可以弥补由于地球自转造成的国内测控站背离月球的影响。

对于不可通信的原因，除了观测点附近地形的影响，还有可能是计算时间段内计算区域背离地球造成的，对于载人探月探测，通信的可靠性要求更高，为了减小通信中断的影响，需要借助于中继卫星。对于满足月球南极覆盖的中继卫星，可以选择两星单椭圆轨道星座；对于满足月球背面覆盖的中继卫星，可以选择双星L2 Halo轨道星座；对于满足全月球覆盖的中继卫星，可以选择六星两平面圆极轨道方案^[5]。

南极长城站所在的菲尔德斯半岛属于无冰盖区，在南极夏季期间，除山峰和背阴区的雪斑外，其他地区的冰雪都会融化。长城站属卵石滩型，卵石带以上为第三纪玄武岩片状风化带，硬度适中，平整开阔，海岸线长，滩涂平坦^[6]，这些地质和地形条件均满足测控站的建设要求。另外，测控站址可将天线底座固定在坚硬的基岩上，有效避免建筑物受到冻土等方面的影响。

地质灾害是以滑坡、崩塌、泥石流和塌陷为典型特征，根据30 a的历史记录，南极长城站未曾发生大的地质灾害事件。

区域稳定性评价和预测是任何一个重大工程必须首先开展的基础性工作，地震震级是反映区域稳定的一项重要指标。南极板块由位于地球东半球的南极地盾、西半球的南极造山带和横贯南极的造山带3大构造单元组成，具有独特的构造环境，是地球上唯一被地球自转轴穿过的大陆^[7]。从2010年底至2011年底，中国南极长城站地震台的数字化宽频带地震记录仪“捕捉”到了发生在南极地区的百余次地震，其最大震级为里氏4级左右，最小震级约为0.5级。结合长城站和附近其他观测站的多年地震观测资料，发现南极洲未发生大的破坏性地震，长城站符合建立大口径天线的要求。

深空测控站所接收和发射的信号一般是来自遥远的极微弱的天体或探测器的无线电讯号。由于各个国家对南极都不具有主权，没有常驻居民，这样就不需要考虑常用民用无线电设施的干扰。同时南极长城站所拥有的主要无线电信号源有GPS卫星常年跟踪站和卫星地面接收站，这些设施对深空观测站的干扰很小，且建站时也会远离这些无线电信号源，因此从无线电环境角度适合于在南极长城站建立深空测控站。

深空测控站的气候影响着大型观测天线的结构设计和正常使用。站址选择中，优选评价指标应该考虑如下气象因素^{[8, 9]}：气温(极端气温、平均气温)、风速和湿度等。本文利用南极长城站安置的气象观测设备获取的气象数据，分析了上述指标体系中涉及的气象要素，分析时间为2012年6月到2013年5月，该段时间的气象分析基本可以反映南极长城站气象的整体情况。

1)气温。 根据中华人民共和国国家标准《国内卫星通信地球站天线(含馈源网络)和伺服系统设备技术要求》(以下简称《标准》),环境条件稳定控制在-35 ℃～55 ℃之间。图 3列出了2012年6月至2013年5月南极长城站气温的统计图，南极长城站最高气温为7.2 ℃，最低气温为-17.4 ℃，全年平均气温在-7 ℃～1.3 ℃之间，符合建站要求。

图 3 南极长城站2012年6月到2013年5月 气温变化图 Fig. 3 Temperature Ranger of the Antarctic Great- Wall Station from June 2012 to May 2013

图选项

2)风速。 风速的大小对大口径天线的稳定性和灵敏度有重要的影响。根据《标准》,在保证精度的条件下，稳态风小于13 m/s，阵风小于20 m/s；在降精度条件下，工作风速小于20 m/s，阵风小于27 m/s，不破坏设备的风速小于54 m/s。在实践中，该标准可适当放宽，即保精度风速小于20.8 m/s(稳态)，阵风风速小于27.6 m/s，降精度风速小于27.6 m/s(稳态)，阵风风速小于32.6 m/s，保全风速小于56 m/s。图 4为南极长城站2012年6月至2013年5月的风速图，从风速的平均值看，符合标准中保精度的工作要求，但各月部分时刻的瞬时风速有过大的情况。为了分析大于风速要求的大风是否具有持续性，选取了2013年5月风速最大值出现的一段时间进行分析，图 5列出了5月风速最大的23日左右的风速图。从图 5可以看出，风速基本都维持在13 m/s，过大的风速只是出现在23日的一小段时间，为阵风风速，时间十分短暂，对大口径天线及后期观测影响不大。同时，在天线设计时，也要考虑南极长城站这一特殊的气候条件而采用不同的方法和技术。

图 4 南极长城站2012年6月到2013年5月 风速变化图 Fig. 4 Wind Speed of the Antarctic Great-Wall Station from June 2012 to May 2013

图选项

图 5 南极长城站2013年5月20日至31日瞬时风速图 Fig. 5 Instantaneous Wind Speed in the Antarctic Great-Wall Station from May 20 to 31, 2013

图选项

3)湿度。 《标准》规定，中湿度指标要控制在5%～98%，图 6列出的湿度平均值都符合要求，但该指标相对灵活，湿度最大值略显超标，但总体符合要求。

图 6 南极长城站2012年6月到2013年5月 湿度变化图 Fig. 6 Humidity Change of the Antarctic Great-Wall Station from June 2012 to May 2013

图选项

4)气压。 《标准》规定，对建站气压的要求为700～1 060 hPa，从图 7可以看出，气压的最大值、最小值和平均值都符合建站要求。

图 7 南极长城站2012年6月到2013年5月 气压变化图 Fig. 7 Pressure Change of the Antarctic Great-Wall Station from June 2012 to May 2013

图选项

5) 耐雪量及抗冰雹。 系统在以下雨雪及冰雹条件下能正常工作，即雨量100 mm/h，雪载荷小于60 mm/h；抗冰雹：冰雹最大直径小于10 mm，冰雹量小于100个/(m²\5min)。根据长城站气象记载，此条件符合建站要求。

1)电力供应。 对于具有超大发射功率(万瓦级)的深空天线，电力供应是深空测控站建设必须首要解决的问题。很长时间以来，南极考察基本依靠燃油发电作为用电的保障，这是电力供应的一个渠道。此外，还必须寻求有效的能源利用途径，积极探索南极新型能源的应用。一方面，南极号称地球的“风极”，可以借此优势建立风能发电系统。另一方面，南极的夏天具有持续光照，可以建立太阳能光伏发电系统。日本昭和考察站在站上建立了小型的光伏发电系统，每年可提供5 000 kW时的电力供应。根据深空测控站的实际情况，可以建立集太阳能光伏发电、风能发电、燃油发电和蓄电设备为一体的综合能源电力供应系统。但是该系统是一个工程较大的建设任务，需要在长城站附近另外选址，同时还需要解决新能源发电系统建设中面临的种种难题，如电池阵列及野外装备的抗低温设计等。

2)交通运输条件。 南极长城站方便快捷的航海条件和航空条件为南极深空测控站的设备及人员运输提供了便利。航海运输方面，我国现在拥有第三代极地考察破冰船“雪龙号”。此外，我国正在建造新的自主破冰船，将能够完成至少1.5 m以上的破冰厚度，南极测控站建站所需要的大型天线等设备能够顺利地运往长城站。同时，长城站紧邻智利马尔什基地机场，加之中国南极航空网的建立及固定翼飞机的购置为大型测控任务执行中科研和指挥人员的及时到岗和快速交流提供了可能。

3)通信网络。 长城站建有卫星通信网络，利用了国际通讯卫星组织的Intelsat卫星，将信号从南极长城站传输到上海电信卫星地面站，然后通过专线联入中国极地研究中心，进入中国极地研究中心的网络系统。南极长城站的测控系统建好后，可通过通信中继卫星直接传送到国内测控网络，实现多站的统一调度。

4)后勤设施。 长城站现有大型建筑物25座，包括综合活动中心、科研办公楼、污水处理栋、生活栋、发电栋、气象栋、通讯栋等设施，可以保障测控跟踪站建立和后期观测所需要的一切饮食、生活等后勤硬件设施。

在南极长城站建立深空测控站，不仅要考虑建站的必要性，还需要分析建站的可行性，本文主要围绕这两方面内容进行了详细讨论。结论如下：

1) 在地球的南极长城站建立深空测控站，对于我国即将开展的月球车探测，由于其特殊的地理位置，该测控站与月球南极的月球车通信受地形的影响比与我国境内的跟踪站的影响要小得多。中国南极长城站由于经度和我国境内的跟踪站经度相差180°，综合长城站和我国境内的跟踪站，可以减小由于地球自转而造成的测站背离月球的影响，使观测时段更长。

2) 中国科学院国家天文台在南美洲阿根廷圣胡安大学天文台建立了中阿合作的激光测距SLR台站，并计划发展成为SLR、GPS和VLBI测站并置的多功能台站。从观测几何角度讲，南美洲建站和南极长城站的建站优势相当，但从使用和发展角度分析，由于南极长城站不涉及主权、外交等，后期建设和观测不受制于别的国家，且经过30 a的建设，已经具备了建立大型深空探测设备的条件。建议决策部门将中国南极长城站建立深空跟踪站列入计划，或与国家其他大型科研天线系统(如国家高分遥感专项)合作，建立一站多用途的天线系统。

3) 南极长城站的气候条件、地质条件、无线电条件等已经基本满足建设深空跟踪站的可行性，但是，深空测控系统庞大，仍有很多技术和后勤保障条件还无法满足系统的建设和运行，如电力供应系统的建设、新型能源的引入、测控系统的南极适应性改造、测控站与探测器间的通信难题^[10]等。但是这些技术和条件会随着科学技术和经济实力的发展而迎刃而解。