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星“斯普特尼克1號”從前蘇聯的拜科努爾發射場升空,1958年“探險者1號”衛星由美國隨后發射,宇航事業得到了迅速發展,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星發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、指令分系統、調制/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（地面和衛星通信）、測控設備、深空通信收發設備和天線等。

深空通信基本功能：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，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：

發射指令到航天器

接收從航天器發來的遙測數據

跟蹤航天器的位置和速度

接收從航天器發來的科學數據

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。◎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。◎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。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。◎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，必須采取必要的措施保障數據傳輸的可靠性。◎各通信節點的處理能力不同。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、發射天線的口徑和增加發射功率的手段。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,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。

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發展起到的重要意義。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。