深空通信

卫星通信领域

深空通信是指地球上的通信实体与离开地球卫星轨道进入太阳系的飞行器之间的通信，距离可达几百万公里，几千万公里，以至亿万公里以上。

背景

宇宙通信是以宇宙飞行体为对象的无线电通信。国际电信联盟规定正式名称为“宇宙无线电通信”，简称为“宇宙通信”。宇宙空间通信有时也称为“空间通信”，并分为“近空通信”和“深空通信”。

基本理论

1.1深空通信系统组成：

一个典型的深空通信系统的组成如图1所示。在航天器上的通信设备，包括飞行数据分系统、指令分系统、调制/解调、射频分系统和天线等。在地面段，则包括任务的计算和控制中心、到达深空通信站的传输线路（地面和卫星通信）、测控设备、深空通信收发设备和天线等。

1.2深空通信的基本任务

深空通信要执行的基本任务即所具有的基本功能有三个：指令、跟踪和遥测。前二者是负责从地球对汉航天器的引导和控制，后者则是传输通过航天器探测宇宙所获得的信息。

（1）指令分系统（CMD）：其基本任务是将地面的控制信息发送到航天器，令其在规定的时间按规定的参数执行规定的动作，如改变飞行路线等。在指令链路中传送的是低容量的低速率数据。但传输质量要求极高，以保证到达航天器的指令准确无误。

（2）跟踪分系统：深空探测的跟踪分系统有两项基本用途：一是获取有关航天器的位置和速度、无线电传播媒质以及太阳系特性的信息，以使地面能监视航天器的飞行轨迹并对其导航；二是提供射频载波和附加的参考信号，以支持指令和遥测功能。跟踪系统产生的输出有：相干载波参考信号，包括多普勒信息的接收信号频率、到航天器来回行程的时延、接收信号来回、提供自动增益控制的接收信号强度、接收信号的波形和频谱记录等。跟踪对象进一步分为相干载波跟踪、多普勒跟踪、距离跟踪和角度跟踪等。

（3）遥测分系统：其基本用途是接收从航天器发挥地球的信息。这些信息通常包括科学数据、工程数据和图像数据。其中科学数据载有从航天器上安装的仪器所获取的有关探测对象的信息，这些数据为中等容量而极有价值，要求准确传送。工程数据报告航天器上仪器、仪表和系统状态的信息，容量甚低，仅要求中等质量的传送。图像数据为大容量，因信息冗余量较大，仅要求中等质量的传输。

2.深空通信的特点

与地面通信或一般的地球卫星通信相比，深空通信具有一些独特的特点，主要包括：

2,1传输距离非常遥远，传输时延巨大。表1给出额地球到太阳系内其他行星的传输距离和传输时延，可以看出最近的通信距离也有近4000千米，时延长达2分多钟，而最长的时延则长达近7个小时。如此巨大的时延对传统的通信方式提出了极大挑战。

2.2接收信号信噪比极低。传输距离遥远引起信号的极大衰减，接收信号的信噪比极低。信号的衰减主要来自于自由空间传播损耗Ls，而Ls与传输距离d（单位是km）、信号频率f（单位是GHz）之间的关系为[Ls]=92.45+20logd+20logf（dB）。以地球到火星的最大距离为例，当使用8.4GHz的射频时，按上式求得[Ls]=283dB。为了弥补如此之大的信号衰减，必须采取先进的技术手段。

2.3传输时延不断变化，链路连接具有间歇性。受天体运动的影响，地球到各行星之间的距离是变化的，同时受星体的自转影响，链路的连接具有间歇性。地球到火星之间的传输时延在3年内的变化如图2所示。图3给出了地面站和火星探测器在7天内可建立连接的时间段，其中图3（a）是地面站与火星着陆器之间的课可见关系，图3（b）是地面站与轨道高度为200km的火星轨道器之间的可见关系，它们的可见时段分别只有43.72%和31.30%，如果考虑通信仰角对建立链路的影响，则可通信的时间gengshao2.4前向和反向的链路速率不对称。传输遥测数据的下行链路的数据速率和传输遥控、跟踪指令的上行链路的数据速率严重不对称，有时可达1000:1的比例，甚至只有单向信道。

2.5对误码率的要求高。深空探测中的探测、跟踪等指令信息都是不容错的数据，必须采取必要的措施保障数据传输的可靠性。

2.6各通信节点的处理能力不同。由于任务和功能的不同，航天器上通信设备的能力也有所不同，一般情况下航天器的存储容量及处理能力都非常有限。

2.7功率、重量、尺寸和造价等因素都限制着通信设备硬件和协议的设计。

3.深空通信中的关键技术

通信距离远，增加了通信路径的损耗，如何弥补如此巨大的损失以达到通信和测控的目的是深空通信面临的难题之一。为了再极端不利的条件下实现正常通信，需要突破以下关键技术。

3.1天线组阵技术

为了解决深空通信中信号极大衰减的问题，早期深空通信采用了加大接收、发射天线的口径和增加发射功率的手段。当采用70m口径天线时相对于10m天线可以获得近17dB的增益。但是70m天线重达3000吨，热变形和负载变形都很严重，对天线的加工精度和调整精度要求都很高。而且现阶段某些频段还无法工作在70m天线上，高频段的雨衰也非常严重，这使得通信链路稳定性和可靠性变差，甚至失效。

组阵天线有两个显著优点：一是可以只使用一部分天线（即组阵天线总面积中的一部分面积）支持指定的航天器，剩下的天线面积可跟踪其他航天器；二是具有“软失效”特点，当单个天线发生故障时天线阵性能减弱，但并不失效。

天线组阵技术是实现天线高增益的有效手段，其性能良好，易于维护，成本较低，并具有很高的灵活性和良好的应用前景。

3.2高效调制方式、

调制是为了使发送信号特性与信道特性相匹配，因此调制方式的选择是由系统的信道特性决定的。与其他通信系统相比，深空通信中的功率受限问题更加突出。为了有效利用功率资源，飞行器通常采用非线性高功率放大器（HPA），而且为了获得最大的转换效率，放大器一般工作在饱和点，这使得深空通信具有非线性。因此，在深空他心中应采用具有恒包络或准恒包络的调制方式，以使得调制后信号波形的瞬时幅度波动尽量小，从而减小非线性的影响。有关研究结果表明，使用非线性功率放大器和（准）恒包络调制所得到的性能增益，要高于使用线性功率放大器和非恒定包络调制信号的增益。

针对深空通信的特点，CCSDS（空间数据系统协调咨询委员会）给出了可用于深空环境的恒包络或准恒包络调制方式，主要有GMSK，FQPSK和SOQPSK等。

3.3高效编码方式

深空通信系统设计的最重要的问题之一是提高系统的功率利用效率。在深空通信中，由于通信距离的大幅增大，通信信号从深空探测器传回地面时衰减很大，地面系统很难对这种极为微弱的信号进行处理。纠错编码是一种有效地提高功率利用效率的方法，如果通过编码技术每提高1dB的增益，在发送和接收设备上就能够极大地节约成本，在目前发射的所有深空探测器中，都无一例外地采用了有效的纠错编码方案。

在深空通信的信道编码技术中，典型方案是以卷积码作为内码，里德-所罗门（RS）码作为外码的级联码。随着微电子技术的发展和生产工艺的提高以及计算机计算能力的增强，对长码的译码也变得可以实现。

3.4信源压缩技术

受信道速率的限制，探测器一般无法将探测数据实时回传地球。探测器经过探测目标时，一般采用高速取样并存储，等离开目标后，再慢速传回地球。传输的速率越慢，整个数据发送回地球需要的时间就越长，从而限制了数据、图像的采集和存储，甚至被丢弃。深空探测过程中的数据、图像非常珍贵，而探测器上存储器的容量受限，因此采用存储的方法并没有从根本上解决问题。采用高效的信源压缩技术，可以减少需要传输的数据量，则在相同的传输能力下，能够将更多的数据传回地球，缓解对数据通信的压力。

3.5通信协议

目前在深空通信中使用的数据传输协议主要是CCSDS建议。CCSDS协议栈可以划分为应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层五层。

4.典型探测器介绍

目前，世界范围内已经发射过很多的探测器，表2给出了部分典型的深空探测器测控通信系统的相关介绍，主要包括所采用的通信频段、数据速率以及信道编码方式等。可以看出以下特点：通信主要以S和X波段为主，并出现向Ka波段发展的趋势，受功率限制，数据速率一般都比较低，都采用了信道编码。

5.深空通信的发展趋势

深空探测需要在行星和地球之间进行大量的信息交换，分析器面临的挑战可以概括为：

传输时延大而且时变。

前向与反向链路容量不对称。

射频通信信道链路误码率高。

信息间歇可达。

固定通信基础设施缺乏。

星行星之间距离影响信号强度和协议设计。

功率、质量、尺寸和成本制约影响通信硬件和协议设计。

为了节约成本的后向兼容要求等。

为了有效实现地球和宇宙行星之间的信息传输，需要研究和发展针对以上特点的通信信息交换网络体系。行星际因特网（InterPlaNetary，IPN）就是一种通用的空间网络架构，定义为IPN骨干网，IPN外部网络以及行星网络（PN）等之间的互连互通，旨在为深空任务提供科学数据传递的通信服务及探测器和深空轨道器的导航服务。

（1）IPN骨干网：是网络节点之间的一组高容量、高可用的链路，用于提供地球、外层空间的行星、月球、卫星及放置在行星拉格朗日引力稳定点的中继站之间的通信。它包括具有遥远距离通信能力的元素之间的、直接的、多跳路径的数据链路。

（2）IPN外部网络：由飞行于行星间的深空飞行器组、传感器节点集群和空间站组等构成，其某些节点也具有远距离通信能力。

（3）PN：由行星卫星网络和行星表面网络组成，能在任何外层空间的行星上实现，用于提供卫星和行星表面元素之间的互连，并实现它们之间的协同工作。

由于深空通信的距离非常遥远，因此与深空通信相关的技术总是处于测控通信技术发展的最前沿，这些前沿技术也牵引着电子信息技术的不断发展。广袤浩渺的茫茫宇宙，促使测控通信技术不断出现新的概念、新的理论和新的方法，并向一个个极限挑战。

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