深空通信简介及关键技术分析

深空通信简介及关键技术分析

自从1957年世界上第一颗人造地球卫星“斯普特尼克1号”从前苏联的拜科努尔发射场升空,1958年“探险者1号”卫星由美国随后发射,宇航事业得到了迅速发展,半个多世纪以来,人类进入了深空探测的新时代在探索宇宙的飞行中,是否有良好的通信保障决定了航天项目成败,1971年5月28日,前苏联发射的“火星5号,装在宇航器上部密封舱内的着陆器已成功地在火星表面软着陆,但着陆20秒后却由于通信中断而使这次任务失败。

随着火箭推进技术的提高,宇宙飞行从距离地球几万公里的人造卫星发展到数亿公里的深空探测。在深空探测进程中,地面对探测器的所有指令信息、遥测遥控信息,跟踪导航信息、飞行姿态控制、轨道控制等信息及科学数据。图像、文件、声音等数据的传输,都要靠通信系统来完成和保障,从这个意义上讲,离开了深空通信,深空探测就无法进行。

深空通信组成：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。

深空通信基本功能：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。具体包括以下几个功能：

发射指令到航天器

接收从航天器发来的遥测数据

跟踪航天器的位置和速度

接收从航天器发来的科学数据

测量用于无线电科学实验的无线电波的变化

完成极长的基线干涉观测

监视和控制深空网络性能

作为雷达观测太阳系中天体,作为射电天文观测宇宙

深空通信特点：◎传输距离非常遥远，传输时延巨大。◎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。◎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。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。◎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。◎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。◎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。

深空通信的关键技术：

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。

2.Ka波段射频通信以前,深空通信使用的通信频率都是X波段(8GHz)。近几年,美国的DSN已经具备了Ka波段(32GHz)的接收能力,而我国的深空网也将具备S、X、Ka三个波段的通信能力。由于Ka波段带宽是X波段的四倍。而实际分配的频谱带宽则是X波段的十倍其数据数率可达到每秒数百兆比特。

3.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。

4.光通信技术光通信发展可能是未来十年最令人激动的事情,在航天器功率和质量相同的点情况下,光通信下行链路通信能力至少比射频通信提高两个数量级。NASA计划在十年内将光通信投入实际使用,投巨资进行深空光通信终端(DOT)设备的研究开发,并已经在加利福利亚的桌山天文台建立了1m光通信地球站,用于在地面和地球轨道航天器之间进行光通信测试实验。

5.数据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。

6.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。

7.航天器自主导航由于阴影效应等因素的影响,地面对航天器的导航是间断的,在中断期间航天器将完全依靠自己来调整姿态和速度,因此研究航天器自主导航技术就非常必要了。

通过我对各项资料的查找整合，我认识到了深空通信对我国航天航空事业发展起到的重要意义。同时，深空通信也是一门多学科知识的融合，需要研究者精通多方面知识体系。