深空通信簡介及關鍵技術分析

自從1957年世界上第一顆人造地球衛(wèi)星“斯普特尼克1號”從前蘇聯的拜科努爾發(fā)射場升空,1958年“探險者1號”衛(wèi)星由美國隨后發(fā)射,宇航事業(yè)得到了迅速發(fā)展,半個多世紀以來,人類進入了深空探測的新時代在探索宇宙的飛行中,是否有良好的通信保障決定了航天項目成敗,1971年5月28日,前蘇聯發(fā)射的“火星5號,裝在宇航器上部密封艙內的著陸器已成功地在火星表面軟著陸,但著陸20秒后卻由于通信中斷而使這次任務失敗。

隨著火箭推進技術的提高,宇宙飛行從距離地球幾萬公里的人造衛(wèi)星發(fā)展到數億公里的深空探測。在深空探測進程中,地面對探測器的所有指令信息、遙測遙控信息,跟蹤導航信息、飛行姿態(tài)控制、軌道控制等信息及科學數據。圖像、文件、聲音等數據的傳輸,都要靠通信系統(tǒng)來完成和保障,從這個意義上講,離開了深空通信,深空探測就無法進行。

深空通信組成：在航天器上的通信設備，包括飛行數據分系統(tǒng)、指令分系統(tǒng)、調制/解調、射頻分系統(tǒng)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（地面和衛(wèi)星通信）、測控設備、深空通信收發(fā)設備和天線等。

深空通信基本功能：深空通信要執(zhí)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，后者則是傳輸通過航天器探測宇宙所獲得的信息。具體包括以下幾個功能：

發(fā)射指令到航天器

接收從航天器發(fā)來的遙測數據

跟蹤航天器的位置和速度

接收從航天器發(fā)來的科學數據

測量用于無線電科學實驗的無線電波的變化

完成極長的基線干涉觀測

監(jiān)視和控制深空網絡性能

作為雷達觀測太陽系中天體,作為射電天文觀測宇宙

深空通信特點：◎傳輸距離非常遙遠，傳輸時延巨大?！蚪邮招盘栃旁氡葮O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?！騻鬏敃r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。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?！驅φ`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，必須采取必要的措施保障數據傳輸的可靠性?！蚋魍ㄐ殴?jié)點的處理能力不同。由于任務和功能的不同，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。◎功率、重量、尺寸和造價等因素都限制著通信設備硬件和協(xié)議的設計。

深空通信的關鍵技術：

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，早期深空通信采用了加大接收、發(fā)射天線的口徑和增加發(fā)射功率的手段。當采用70m口徑天線時相對于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(wěn)定性和可靠性變差，甚至失效。

組陣天線有兩個顯著優(yōu)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(fā)生故障時天線陣性能減弱，但并不失效。

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

2.Ka波段射頻通信以前,深空通信使用的通信頻率都是X波段(8GHz)。近幾年,美國的DSN已經具備了Ka波段(32GHz)的接收能力,而我國的深空網也將具備S、X、Ka三個波段的通信能力。由于Ka波段帶寬是X波段的四倍。而實際分配的頻譜帶寬則是X波段的十倍其數據數率可達到每秒數百兆比特。

3.高效調制方式調制是為了使發(fā)送信號特性與信道特性相匹配，因此調制方式的選擇是由系統(tǒng)的信道特性決定的。與其他通信系統(tǒng)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，飛行器通常采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，在深空他心中應采用具有恒包絡或準恒包絡的調制方式，以使得調制后信號波形的瞬時幅度波動盡量小，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）恒包絡調制所得到的性能增益，要高于使用線性功率放大器和非恒定包絡調制信號的增益。

4.光通信技術光通信發(fā)展可能是未來十年最令人激動的事情,在航天器功率和質量相同的點情況下,光通信下行鏈路通信能力至少比射頻通信提高兩個數量級。NASA計劃在十年內將光通信投入實際使用,投巨資進行深空光通信終端(DOT)設備的研究開發(fā),并已經在加利福利亞的桌山天文臺建立了1m光通信地球站,用于在地面和地球軌道航天器之間進行光通信測試實驗。

5.數據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，一般采用高速取樣并存儲，等離開目標后，再慢速傳回地球。傳輸的速率越慢，整個數據發(fā)送回地球需要的時間就越長，從而限制了數據、圖像的采集和存儲，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，因此采用存儲的方法并沒有從根本上解決問題。采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。

6.通信協(xié)議目前在深空通信中使用的數據傳輸協(xié)議主要是CCSDS建議。CCSDS協(xié)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。

7.航天器自主導航由于陰影效應等因素的影響,地面對航天器的導航是間斷的,在中斷期間航天器將完全依靠自己來調整姿態(tài)和速度,因此研究航天器自主導航技術就非常必要了。

通過我對各項資料的查找整合，我認識到了深空通信對我國航天航空事業(yè)發(fā)展起到的重要意義。同時，深空通信也是一門多學科知識的融合，需要研究者精通多方面知識體系。