深空通信

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什么是深空通信

　　按照国际电信联盟对地球与宇宙飞行器之间通信的定义，这种通信被称为“宇宙无线电通信，简称为“宇宙通信”、“空间通信，依通信距离的不同，宇宙通信又分为近空通信和深空通信。

　　1、近空通信，指地球上的通信实体与在离地球距离小于2×106公里的空间中的地球轨道上的飞行器之间的通信。这些飞行器包括各种人造卫星、载人飞船、航天飞机等，飞行器飞行的高度从几百公里到几万公里不等。

　　2、深空通信，指地球上的通信实体与处于深空(离地球的距离等于或大于2×106公里的空间)的离开地球卫星轨道进入太阳系的飞行器之间的通信。深空通信最突出的特点是信号传输的距离极其遥远例如，探测木星的“旅行者1号航天探测器，从1977年发射，1979年到达木星，飞行航程达6．8X108公里。航天器要将采集到的信息发回地球，需要经过37．8分钟后才能到达地球。

　　进行深空通信包括三种形式的通信：其一是地球站与航天飞行器之间的通信；其二是飞行器之间的通信；其三是通过飞行器的转发或反射来进行的与地球站间的通信。当飞行器距地球太远时，由于信号太弱，可采用中继的方式来延长通信距离，由最远处的飞行器将信号传到较远处的飞行器进行转接，再将信号传到地球卫星上或直接传到地球站上。

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深空通信的特点

　　距离远、信号弱、延时大、延时不稳定、数据量大是深空通信的基本特点，除此之外在技术和手段上还有如下特点：

　　1、点对点的距离远通信。即深空通信地面站和飞行器之间通常采用无中继远距离无线电通信。这种通信中，电波的传播损耗是与距离的平方成正比的。在进行行星探测等超远距离飞行的情况下，为了克服巨大的传播损耗，确保在有限发射功率的情况下的可靠通信，必须采用在低信噪比下也能可靠工作的通信方式。

　　2、深空通信无大气干扰。通信地面站收到的噪声包括由地面大气对电磁波的吸收而形成的等效噪声和热噪声以及宇宙噪声。其中宇宙噪声是由射电星体、星间物质和太阳等产生的。其频率特性在1吉赫以下时与频率的2．8次方成反比，1吉赫以上时与频率的平方成反比。而大气中氧气和水蒸汽对电波的吸收在1O吉赫以上时逐渐增大，即增加了等效噪声。总的外来噪声在1吉赫～1O吉赫之间比较小，目前深空通信的工作频率多处于这一频率范围。深空通信中电磁波近似在真空中传播，没有大气等效噪声和热噪声，因此传播条件比地面无线通信相对较好。

　　3、传输频道的频带无严格限制。由于通信距离远、宇航飞行器发射功率受限于电源、接收信号功率微弱，对其他设备干扰小，因而深空通信传输频道的频带没有受到严格限制，可以充分地使用频带，系统具有可选码型、调制方式灵活的特点。

　　目前，深空通信采用了先进的调制技术、编码方案，在接收机前端采用超低噪声放大器，通过提高天线面的精度，并增大发射机功率来延长通信距离。继采用改进编码PCM之后，又引人了链接码，发射机功率达到20瓦以上，开始使用x波段，天线直径增大到3．6米。深空通信的距离已经延伸到15亿公里。

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深空通信的关键技术

　　为了解决深空通信中特殊的问题，如传输时延大而且时变、前向与反向链路容量不对称、射频通信信道链路误码率高、信息间歇可达、固定通信基础设施缺乏、行星之间距离影响信号强度和协议设计、功率与质量及尺寸和成本制约通信硬件和协议设计、为节约成本的后向兼容性要求等问题，‘有许多关键技术有待进一步的研究。

　　1、阵列天线技术。单个天线的口径总会是有限的，采用多天线构成的阵列天线是实现天线高增益的有效手段，阵列天线具有性能良好、易于维护、成本较低、灵活性高的优点。还可以只使用一部分天线支持指定的航天器，剩下的天线面积用来跟踪其他航天器。当某个天线失效时，其他天线还可继续工作。例如美国国家航空和航天局的深空通信网(DSN)，建在正好是地球上相隔120。的地方，采用了多种跟踪技术，使之在地球自转的条件下能不断地跟踪和观察航天器，从而不间断地实现地面与航天器之间的通信和控制。我国发射的天链同步轨道数据中继卫星组网后，有比美国DSN更强的功能。

　　2、高效调制解调技术。深空通信距离远，所收信号的信噪比极低，飞行器通常采用非线性高功率放大器，放大器一般工作在饱和点，这使得深空信道具有非线性。因此，深空通信中采用具有恒包络或准恒包络的调制方式，以使调制后信号波形的瞬时幅度波动小，从而减小非线性的影响。目前提出的恒包络或准恒包络调制方式主要有GMSK、FQPSKT、SOQPSK等。

　　3、信道编码和传输层协议技术。深空通信传输时延大，无法利用应答方式保证数据传输的可靠性。例如嫦娥二号卫星正飞往距地球150万公里以外的深空进行探测，卫星距离地球最远将有180万公里，而如果要将信号从地球发往冥王星，需要3．98～6．98小时，而在这期间，两个星球的自转早将天线指向其他方向无法进行通信了，因此要想收到证实或握手信号已不可能。纠错编码是一种有效提高功率利用率的方法，典型方案是以卷积码作为内码，里德一所罗门码作为外码的级联码，目前正考虑采用Turbo码和LDPC码等长码。

　　4、信源编码和数据压缩技术。为了尽可能在经过目标的极短时间内多收集数据，飞行探测器一般采用高速取样并存储，等离开目标后再慢速传回地球。但速率慢则所花时间长，采用高效的信源压缩技术，可以减少需要传输的数据量，使相同传输能力情况下传更多的数据。

　　5、通信协议。空间数据系统协调咨询委员会(CCSDS)建议的数据传输协栈可以划分为应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。

　　除解决上面所提之外，更深入的技术还包括联合编码调制技术、图像压缩技术、喷泉编码技术、网络编码技术、自主网络技术、量子通信技术等。这些技术的提出和解决，不仅为空间探测提供有力的保障，同时也将带动通信技术本身的不断进步，引发新的技术的出现和新兴市场的出现。

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