移动技术-深空通信技术

深空通信技术报告人：XXX目录深空通信概述深空网络简介深空通信技术特点系统组成及工作原理主要技术简介展望2023/2/2深空通信技术2深空通信概述——概念何为深空：1988年世界无线电管理大会标准：与地球的距离大于或等于2×106km的空间；我国航天界将深空定义为：月球和月球以远的外层空间；空间通信：以地球大气层之外的航天器为对象的无线电通信，称为空间无线电通信，简称空间通信，或宇宙通信。深空通信技术32023/2/2深空通信概述——概念近空通信：地球上的实体与地球卫星轨道上的航天器之间的通信，通信距离为数百至数万公里。深空通信：地球上的实体与离开地球卫星轨道进入太阳系的航天器之间的通信，通信距离达几十万公里至几亿、几十亿公里，包括各行星表面的区域通信以及地球与太阳系以外星球间的通信。深空通信技术42023/2/2深空通信概述——人类探索太空历史1957年10月4日，前苏联采用改装的P－7洲际导弹把世界上第一颗人造地球卫星送入太空。1958年美国成功发射人造卫星“探险者一号”(ExplorerI),“探险者一号”的成功发射标志着美国也进入了太空时代。1961年4月12日，前苏联首先将载有世界上第一名宇航员尤里·加加林的“东方1号”宇宙飞船送入离地面181～327千米的空间轨道。1962年11月1日，前苏联发射火星1号探测器，在飞离地球1亿公里时与地面失去联系。1964年11月28日，美国水手4号发射升空，于1965年7月14日在火星表面9800千米上空掠过火星，向地球发回了21张照片。深空通信技术52023/2/2深空通信概述——人类探索太空历史1969年7月20日，“阿波罗Ⅱ号”登月舱在月球“静海”区安全着陆，美国宇航员N·A·阿姆斯特朗和E·E·奥尔德林登上月球。1971年12月2日，前苏联火星3号成功登陆火星，成为了有史以来第一个成功在火星表面着陆的探测器。1972年3月2日美国发射了无人探测器—先驱者10号，它成为第一个穿过小行星带的宇宙飞船。1997年7月4日：探路者号于1996年12月4日的无人探测计划顺利降落在火星，此后10年间，美国成功发射多个火星探测器。好奇号火星车于2013年发现火星上有水的存在。深空通信技术62023/2/2深空通信概述——人类探索太空历史1970年4月24日，中国第一颗人造地球卫星在酒泉卫星发射中心成功发射，成为继苏，美，法，日之后第五个用自制火箭自主发射卫星的国家。2013年12月14日，我国发射的嫦娥三号成功着陆月球。目前，我国已经在上海，北京，昆明和乌鲁木齐建设成了四个深空站。深空通信技术72023/2/2深空通信概述——人类探索太空历史自第一颗人造卫星成功发射后，在短短不到半个世纪的时间里，人类对太空的探索已取得了飞速发展。从人造卫星的应用到星际探索，从月球探险到火星、土星勘探计划再到彗星“深度撞击”。而在太空探索的整个过程中，地面与探测器的通信技术也在不断地进步和发展。深空通信技术82023/2/2深空网络简介深空网络（DeepSpaceNetwork，DSN）是美国国家航空航天局（NASA）的支援星际任务、无线电通信以及利用射电天文学观察探测太阳系和宇宙的一个国际天线网络，这个网络同样也支持某些特定的地球轨道任务。它是地球上最大也是最敏感的科学研究用途的通信系统。深空网络是美国国家航空航天局喷气推进实验室的一部分。同时深空网络也担负了部分近地轨道任务的保护工作。深空通信技术92023/2/2深空网络简介目前深空网络由三处呈120度分布的深空通信设施构成，一处在美国加州的戈尔德斯通，处于巴斯托市附近的莫哈维沙漠之中；一处位于西班牙马德里附近；另一处位于澳大利亚的堪培拉附近。这种安排使得可以连续观察地球的自转的过程。深空通信技术102023/2/2深空网络简介——

历史20世纪中期，当时还是美国陆军旗下的喷气推进实验室（JPL）首先进入了空间通信领域，并进行研究工作。当时JPL的Microlock地面站系统由1.524m（即5英尺）长的螺旋天线组成，负责美国陆军通信任务。JPL在1958年1月就与美国军方的合同建立了深空网络的雏形。当时在尼日利亚、新加坡以及加州部署了轻型的无线电追踪设备来接收遥感勘测信号以及描绘当时军方发射的探测者1号（第一颗发射成功的美国卫星）的轨道。国家航空航天局于1958年10月1日正式成立，来将当时由美国海陆空三军分散发展的各种太空探索计划整合入单一的一个民间组织。深空通信技术112023/2/2深空网络简介——历史在1958年12月3日，喷气推进实验室从美国军方转入国家航空航天局并且被要求执行使用可自动操作的太空船的月球和星际探索计划的设计和实施。不久之后，国家航空航天局就提出了深空网络的概念，建立一个单独管理和运作的无线通信设施来服务所有的深空任务，而不是针对每一个太空任务来开发专门的空间通信网络。针对所有的用户，深空网络有责任来进行独立的研究，开发和支持工作。在这样的概念支持下，深空网络成为世界上在低噪接收器、追踪、遥感及指令系统、数字信号处理以及深空导航领域的领导者。深空通信技术122023/2/2深空通信技术特点通信距离及其遥远链路损耗大信号时延长工作频率高，频带宽非对称的信道带宽信道为AWGN（

AdditiveWhiteGaussianNoise）模型系统对可靠性要求极高全天候工作能力深空通信技术132023/2/2深空通信技术特点深空通信技术142023/2/2表1太阳系各行星至地球和太阳的距离和时延深空通信技术系统组成深空通信技术包括空间段和地面段空间段空间段主要由航天器上的通信设备组成，包括飞行数据（含遥测信息及航天器探测宇宙目标所获得的信息）分系统、指令分系统、调制/解调分系统、射频分系统和天线等地面段地面段包括任务的计算和控制中心、测控设备、深空通信收发设备和天线等深空通信技术152023/2/2深空通信技术系统组成深空通信技术162023/2/2图1深空通信系统的组成S波段2~4GHz；X波段8~12GHz；Ka波段27~40GHz；深空通信技术系统组成深空通信跟踪遥测指令深空通信技术172023/2/2深空通信技术系统组成跟踪分系统要获取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，使地面能监视航天器的飞行轨迹并对其导航。为遥测遥控提供射频载波和附加的参考信号，以支持遥测和指令功能。深空通信技术182023/2/2深空通信技术系统组成深空通信技术192023/2/2地面跟踪分系统由标准频率源、激励器系统、发射机、产生S、X、Ka频段射频载波信号的微波系统组成。射频载波信号可被指令和测距信号调制图2地面跟踪分系统框图深空通信技术系统组成遥测分系统接收从航天器发回地球的信息，包括科学数据、工程数据和图像数据。科学数据源于从航天器上开展实验所获得的信息；工程数据载有航天器上仪器、仪表和系统状态的信息，这些数据容量中等但极有价值，要求准确传送。图像数据容量大，但信息冗余量较大，仅要求中等质量的传输。深空通信技术202023/2/2深空通信技术系统组成深空通信技术212023/2/2遥测发射机在航天器上，首先对数据进行编码，然后对一个方波副载波进行相位调制（PSK），最后对一个正弦波进行相位调制（PM）并发射出去。接收机在地面站，接收机跟踪载波，并将捕获的射频信号下变频到与参考信号相干的中频，然后副载波解调得到基带信号。之后是符号同步和译码。深空通信常采用PCM/PSK/PM调制方式。图4深空通信遥测分系统框图深空通信技术系统组成指令分系统将地面的控制信息发送到航天器，令其在规定的时间执行规定的动作。通常指令链路传送的是低速率、小容量数据，但对传输质量要求极高，保证到达航天器的指令准确无误。深空通信技术222023/2/2深空通信技术系统组成深空通信技术232023/2/2指令系统（CMD）由地面向航天器提供航天器的动作操作指令。多任务指令分系统（MMC）将进入任务操作中心(MOC)生效的指令的入口点扩展到航天器分系统的指令分配点，分配前进行了差错检测和校正。MMC系统包含由MOC、DSN、航天器指令检测器和译码器所执行的指令功能，指令系统实现多任务指令分发和计算功能。多任务指令分系统上行链路组成框图深空通信的跟踪技术深空通信技术242023/2/2跟踪类型单向跟踪双向跟踪三向跟踪深空通信的跟踪技术单向跟踪由航天器上的信号源产生下行链路信号，地球站接收和跟踪该信号，地球站没有向航天器发送上行链路信号；深空通信技术252023/2/2深空通信的跟踪技术双向跟踪双向相干跟踪：由地球站产生上行链路信号，航天器接收和跟踪该信号。航天器发射与上行链路相干的下行链路信号，供产生上行链路信号的地球站接收和跟踪；双向非相干跟踪：航天器发射的下行链路信号与上行链路信号是不相干的，下行链路信号频率通常由航天器上的超高稳定的晶体振荡器或原子钟产生。深空通信技术262023/2/2深空通信的跟踪技术三向跟踪一个地球站完成双向跟踪，另一地球站则利用不同的频率或不同的天线跟踪下行链路。深空通信技术272023/2/2深空通信的测量技术在深空通信中，航天器的距离测量是通过测量某个深空站产生的测距信号的往返传输时间获得的。测站产生的一系列测距信号被调相在发射的载波信号上。航天器接收机锁相环锁定并跟踪上行载波，再产生与上行载波相干的参考信号。利用参考信号对测距信号进行解调。传统多普勒和距离测轨具有局限性，促进了甚长基线干涉（VLBI）测量技术的发展。VLBI技术利用河外星系射电源（如类星体）发出的宽带微波辐射信号，由于信号非常微弱，需要使用大口径天线、低噪声接收机和宽带记录装置。深空通信技术282023/2/2深空通信的调制技术调制解调技术深空通信信道是典型的带限和非线性变参信道，由于深空通信信道的非线性效应，要求调制后的波形尽量具有恒包络结构，很少采用幅度变化的数字调制技术在频域内，要求已调载波具有良好的频谱特性，要求已调波具有最小的功率占有率，即已调波的频谱要具有快速的高频滚降特性深空通信技术292023/2/2深空通信的调制技术恒包络调制：BPSK、QPSK、OQPSK、差分编码QPSK、π/4QPSK、MSK、GMSK等调制方式准恒包络调制：FQPSK、IJF-QPSK、SQORC、互相关网格编码正交调制（XTCQM）、整形偏移QPSK等调制方式深空通信技术302023/2/2深空通信的信道编译码技术深空通信的信道特点深空通信信道与无记忆的高斯信道非常相似，而这种信道正是编码理论的信道模型，使得信道编码的理论和仿真效果与实际相差无几深空通信信道的频带带宽很丰富，允许使用频带利用率较低的二进制的调制方案深空通信信号信噪比极低，数据传输前要高度压缩冗余部分，对传输中出现的差错非常敏感，采用信道编码技术可用提升通信性能由于传输距离非常远，信号能量衰减严重，需要用各种措施来弥补，其中包括高增益、低编码效率的编码和复杂的译码技术，从而导致传输速率很低深空通信技术312023/2/2深空通信的信道编译码技术编码效率几个常用编码效率：1/2、2/3、4/5和7/8保证信号传输的高可靠性中等编码效率允许链路设计有更多的灵活性信道编码的帧和码字长度CCSDS建议推荐使用的帧长度值分别为1784bit、3568bit、7136bit、8920bit具有较小帧长度的信道编码有利于降低系统复杂度，从而减轻探测器的负荷，可考虑帧长度1024bit、4096bit、7136bit和16384bit信道编码的复杂度编解码复杂度：与硬件实现电路有关深空通信技术322023/2/2深空通信的信道编译码技术深空通信中比较成熟的编码方式包括线性分组码、循环码、卷积码和交织编码。Turbo码和LDPC码可以较大地提高编码增益，是深空通信中常用的编码方式。此外，还采用级联码以及编码和调制相结合的编码调制方式。深空通信中可采用以下级联码：RS码（外码）+卷积码（内码），译码采用维特比译码；LDPC（外码）＋Turbo码（内码）。深空通信技术332023/2/2深空通信的信道编译码技术深空通信技术342023/2/2信道编码深空任务时间未编码“探险者”号，“水手”号1958－现在（25，12）卷积码“先驱者”号，“金星”号1968－1978（32，6）Reed-Muller码“水手”号，“海盗”号1969－1975Golay码“旅行者”号1977－现在RS（255，223）+（7，1/2）“旅行者”号，“伽利略”号1977－现在RS（255，223）+（7，1/3）“旅行者”号1977－现在RS（255，var）+（14，1/4）“伽利略”号1989－2003RS＋（15，1/6）“卡西尼”号，“火星探路者”号1996－现在Turbo“信使”号，“日地关系观测卫星”号，“火星侦察轨道器”号2004－现在LDPC“星群”号，“火星科学实验室”号近期NASA深空任务采用的信道编码深空通信——未来空间任务对信道编码的要求深空信道编码的应用场合深空遥测（不包含火星任务）火星探测（信息从探测器发送到近火星表面或者是地球地面站之间的遥测链路）火星和月球探测任务（链路设在从探测器发送到近火星表面和建在月球上的基础通信设施）火星表面的应用（链路设在登陆者、漫游者和接近火星表面工作的机器人之间）新型信道编码的要求具有大的编码增益具有高的频谱利用效率具有较低的编码和译码复杂度深空通信技术352023/2/2展望——NASA未来的空间通信与导航体系4个物理单元：地基地球单元，近