深空通信

宇宙通信是以宇宙飛行體為對象的無線電通信。國際電信聯盟規定正式名稱為“宇宙無線電通信”，簡稱為“宇宙通信”。宇宙空間通信有時也稱為“空間通信”，並分為“近空通信”和“深空通信”。

1.1深空通信系統組成：

一個典型的深空通信系統的組成如圖1所示。在航天器上的通信設備，包括飛行數據分系統、指令分系統、調製/解調、射頻分系統和天線等。在地面段，則包括任務的計算和控制中心、到達深空通信站的傳輸線路（地面和衞星通信）、測控設備、深空通信收發設備和天線等。

1.2深空通信的基本任務

深空通信要執行的基本任務即所具有的基本功能有三個：指令、跟蹤和遙測。前二者是負責從地球對漢航天器的引導和控制，後者則是傳輸通過航天器探測宇宙所獲得的信息。

（1）指令分系統（CMD）：其基本任務是將地面的控制信息發送到航天器，令其在規定的時間按規定的參數執行規定的動作，如改變飛行路線等。在指令鏈路中傳送的是低容量的低速率數據。但傳輸質量要求極高，以保證到達航天器的指令準確無誤。

（2）跟蹤分系統：深空探測的跟蹤分系統有兩項基本用途：一是獲取有關航天器的位置和速度、無線電傳播媒質以及太陽系特性的信息，以使地面能監視航天器的飛行軌跡並對其導航；二是提供射頻載波和附加的參考信號，以支持指令和遙測功能。跟蹤系統產生的輸出有：相干載波參考信號，包括多普勒信息的接收信號頻率、到航天器來回行程的時延、接收信號來回、提供自動增益控制的接收信號強度、接收信號的波形和頻譜記錄等。跟蹤對象進一步分為相干載波跟蹤、多普勒跟蹤、距離跟蹤和角度跟蹤等。

（3）遙測分系統：其基本用途是接收從航天器發揮地球的信息。這些信息通常包括科學數據、工程數據和圖像數據。其中科學數據載有從航天器上安裝的儀器所獲取的有關探測對象的信息，這些數據為中等容量而極有價值，要求準確傳送。工程數據報告航天器上儀器、儀表和系統狀態的信息，容量甚低，僅要求中等質量的傳送。圖像數據為大容量，因信息冗餘量較大，僅要求中等質量的傳輸。

2.深空通信的特點

與地面通信或一般的地球衞星通信相比，深空通信具有一些獨特的特點，主要包括：

2,1傳輸距離非常遙遠，傳輸時延巨大。表1給出額地球到太陽系內其他行星的傳輸距離和傳輸時延，可以看出最近的通信距離也有近4000千米，時延長達2分多鐘，而最長的時延則長達近7個小時。如此巨大的時延對傳統的通信方式提出了極大挑戰。

2.2接收信號信噪比極低。傳輸距離遙遠引起信號的極大衰減，接收信號的信噪比極低。信號的衰減主要來自於自由空間傳播損耗Ls，而Ls與傳輸距離d（單位是km）、信號頻率f（單位是GHz）之間的關係為[Ls]=92.45+20logd+20logf（dB）。以地球到火星的最大距離為例，當使用8.4GHz的射頻時，按上式求得[Ls]=283dB。為了彌補如此之大的信號衰減，必須採取先進的技術手段。

2.3傳輸時延不斷變化，鏈路連接具有間歇性。受天體運動的影響，地球到各行星之間的距離是變化的，同時受星體的自轉影響，鏈路的連接具有間歇性。地球到火星之間的傳輸時延在3年內的變化如圖2所示。圖3給出了地面站和火星探測器在7天內可建立連接的時間段，其中圖3（a）是地面站與火星着陸器之間的課可見關係，圖3（b）是地面站與軌道高度為200km的火星軌道器之間的可見關係，它們的可見時段分別只有43.72%和31.30%，如果考慮通信仰角對建立鏈路的影響，則可通信的時間gengshao2.4前向和反向的鏈路速率不對稱。傳輸遙測數據的下行鏈路的數據速率和傳輸遙控、跟蹤指令的上行鏈路的數據速率嚴重不對稱，有時可達1000:1的比例，甚至只有單向信道。

2.5對誤碼率的要求高。深空探測中的探測、跟蹤等指令信息都是不容錯的數據，必須採取必要的措施保障數據傳輸的可靠性。

2.6各通信節點的處理能力不同。由於任務和功能的不同，航天器上通信設備的能力也有所不同，一般情況下航天器的存儲容量及處理能力都非常有限。

2.7功率、重量、尺寸和造價等因素都限制着通信設備硬件和協議的設計。

3.深空通信中的關鍵技術

通信距離遠，增加了通信路徑的損耗，如何彌補如此巨大的損失以達到通信和測控的目的是深空通信面臨的難題之一。為了再極端不利的條件下實現正常通信，需要突破以下關鍵技術。

3.1天線組陣技術

為了解決深空通信中信號極大衰減的問題，早期深空通信採用了加大接收、發射天線的口徑和增加發射功率的手段。當採用70m口徑天線時相對於10m天線可以獲得近17dB的增益。但是70m天線重達3000噸，熱變形和負載變形都很嚴重，對天線的加工精度和調整精度要求都很高。而且現階段某些頻段還無法工作在70m天線上，高頻段的雨衰也非常嚴重，這使得通信鏈路穩定性和可靠性變差，甚至失效。

組陣天線有兩個顯著優點：一是可以只使用一部分天線（即組陣天線總面積中的一部分面積）支持指定的航天器，剩下的天線面積可跟蹤其他航天器；二是具有“軟失效”特點，當單個天線發生故障時天線陣性能減弱，但並不失效。

天線組陣技術是實現天線高增益的有效手段，其性能良好，易於維護，成本較低，並具有很高的靈活性和良好的應用前景。

3.2高效調製方式、

調製是為了使發送信號特性與信道特性相匹配，因此調製方式的選擇是由系統的信道特性決定的。與其他通信系統相比，深空通信中的功率受限問題更加突出。為了有效利用功率資源，飛行器通常採用非線性高功率放大器（HPA），而且為了獲得最大的轉換效率，放大器一般工作在飽和點，這使得深空通信具有非線性。因此，在深空他心中應採用具有恆包絡或準恆包絡的調製方式，以使得調製後信號波形的瞬時幅度波動儘量小，從而減小非線性的影響。有關研究結果表明，使用非線性功率放大器和（準）恆包絡調製所得到的性能增益，要高於使用線性功率放大器和非恆定包絡調製信號的增益。

針對深空通信的特點，CCSDS（空間數據系統協調諮詢委員會）給出了可用於深空環境的恆包絡或準恆包絡調製方式，主要有GMSK，FQPSK和SOQPSK等。

3.3高效編碼方式

深空通信系統設計的最重要的問題之一是提高系統的功率利用效率。在深空通信中，由於通信距離的大幅增大，通信信號從深空探測器傳回地面時衰減很大，地面系統很難對這種極為微弱的信號進行處理。糾錯編碼是一種有效地提高功率利用效率的方法，如果通過編碼技術每提高1dB的增益，在發送和接收設備上就能夠極大地節約成本，在目前發射的所有深空探測器中，都無一例外地採用了有效的糾錯編碼方案。

在深空通信的信道編碼技術中，典型方案是以卷積碼作為內碼，裏德-所羅門（RS）碼作為外碼的級聯碼。隨着微電子技術的發展和生產工藝的提高以及計算機計算能力的增強，對長碼的譯碼也變得可以實現。

3.4信源壓縮技術

受信道速率的限制，探測器一般無法將探測數據實時回傳地球。探測器經過探測目標時，一般採用高速取樣並存儲，等離開目標後，再慢速傳回地球。傳輸的速率越慢，整個數據發送回地球需要的時間就越長，從而限制了數據、圖像的採集和存儲，甚至被丟棄。深空探測過程中的數據、圖像非常珍貴，而探測器上存儲器的容量受限，因此採用存儲的方法並沒有從根本上解決問題。採用高效的信源壓縮技術，可以減少需要傳輸的數據量，則在相同的傳輸能力下，能夠將更多的數據傳回地球，緩解對數據通信的壓力。

3.5通信協議

目前在深空通信中使用的數據傳輸協議主要是CCSDS建議。CCSDS協議棧可以劃分為應用層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層和物理層五層。

4.典型探測器介紹

目前，世界範圍內已經發射過很多的探測器，表2給出了部分典型的深空探測器測控通信系統的相關介紹，主要包括所採用的通信頻段、數據速率以及信道編碼方式等。可以看出以下特點：通信主要以S和X波段為主，並出現向Ka波段發展的趨勢，受功率限制，數據速率一般都比較低，都採用了信道編碼。

5.深空通信的發展趨勢

深空探測需要在行星和地球之間進行大量的信息交換，分析器面臨的挑戰可以概括為：

傳輸時延大而且時變。

前向與反向鏈路容量不對稱。

射頻通信信道鏈路誤碼率高。

信息間歇可達。

固定通信基礎設施缺乏。

星行星之間距離影響信號強度和協議設計。

功率、質量、尺寸和成本制約影響通信硬件和協議設計。

為了節約成本的後向兼容要求等。

為了有效實現地球和宇宙行星之間的信息傳輸，需要研究和發展針對以上特點的通信信息交換網絡體系。行星際因特網（InterPlaNetary，IPN）就是一種通用的空間網絡架構，定義為IPN骨幹網，IPN外部網絡以及行星網絡（PN）等之間的互連互通，旨在為深空任務提供科學數據傳遞的通信服務及探測器和深空軌道器的導航服務。

（1）IPN骨幹網：是網絡節點之間的一組高容量、高可用的鏈路，用於提供地球、外層空間的行星、月球、衞星及放置在行星拉格朗日引力穩定點的中繼站之間的通信。它包括具有遙遠距離通信能力的元素之間的、直接的、多跳路徑的數據鏈路。

（2）IPN外部網絡：由飛行於行星間的深空飛行器組、傳感器節點集羣和空間站組等構成，其某些節點也具有遠距離通信能力。

（3）PN：由行星衞星網絡和行星表面網絡組成，能在任何外層空間的行星上實現，用於提供衞星和行星表面元素之間的互連，並實現它們之間的協同工作。

由於深空通信的距離非常遙遠，因此與深空通信相關的技術總是處於測控通信技術發展的最前沿，這些前沿技術也牽引着電子信息技術的不斷髮展。廣袤浩渺的茫茫宇宙，促使測控通信技術不斷出現新的概念、新的理論和新的方法，並向一個個極限挑戰。