空间通信

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空间通信(Space Communications)

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什么是空间通信

  空间通信是一种以航天器(或天体)为对象的无线电通信。航天器亦称空间飞行器或宇宙飞行器,它是在地球大气层以外的宇宙空间,基本按天体力学的规律运行的飞行器。空间通信的基本形式有地球站和航天器之间的通信,航天器相互之间的通信,通过航天器转发或反射电磁波进行的地球站之间的通信。航天器有人造地球卫星、空间探测器、载人飞船、航天站和航天飞机。地球站是指设在地球表面(包括陆地、水上和大气层中)的通信站。

空间通信的特点

  空间通信距离远,信号弱,要保证有效地通信,地球站须有灵敏度极高的接收设备。空间目标是运动的,因而在必要时接收天线应对目标定向连续跟踪。航天器的发射机输出功率受到限制,地球站须使用大口径天线和低噪声放大器。深空通信中地面使用高增益的、指向可控的抛物面天线,最常用的天线口径为18米和27米。航天器的通信设备必须重量轻、体积小、抗辐射、寿命长,能经受冲击和振动,而且可靠性高。

  空间通信使用的频段很宽,从超长波段到毫米波段,乃至激光。卫星通信常用的频段是1~15吉赫,并已开始使用更高频段。

空间通信的分类

  空间通信按传递信息的形式分为模拟通信和数字通信

  模拟通信传输的是模拟信息。数字通信对传递的各种信息进行数字编码,再调制到副载波上进行传递。

  数字通信与计算机连接使用:如采用约定的编码方案,还易于实现保密通信,所以数字通信是现代空间通信的主要形式。

  空间通信按照传递的信息内容分为话音通信、图像通信和遥测或指令信息传输等。地球与载人航天器之间的话音通信大多使用甚高频和超高频频段。

  文字、图形、像片等图像信息传输分为电视图像传输和数字图像传输。航天中的电视一般采用窄带和低速扫描,也有用快扫描、高分辨率的电视线路的。数字图像传输把光学、红外或者微波成像器所拍摄的图像以数字数据的形式传给地球站。高分辨率图像多采用数字图像通信方式。

  航天器与地球站的遥测数据或指令传输是空间通信的一个重要方面。如生物医学数据、各系统的性能和工作状态数据和各种试验结果数据以及各种遥控指令等。“陆地卫星”4号的通信系统由两个分系统组成:宽带数据系统和卫星遥测系统。前者用来传输图像数据,工作在Ku波段、X波段和S波段;后者工作在S波段,用于跟踪、指令和工程遥测。遥测系统由多用途模块组成。与跟踪和数据中继卫星系统通信时,使用高增益天线;与地球站通信时使用两副全向天线。卫星上的计算机用于控制卫星的功能和遥测工作方式并存贮指令。

空间通信与陆地网络的比较

  空间通信的环境十分复杂,和陆地中的有线网络有很大的不同,主要体现在以下几个方面:

  (1)大时延:卫星的传播时延要比陆地的有线网络大很多,通常低轨卫星的单向传播延迟为2O~25ms,中轨卫星系统为110~130ms,同步卫星则为250~280ms,而陆地上有线网络的单向传播时延一般在5~25ms之间。

  (2)高误码率:空间通信距离都很长,信号在传输途中会严重衰减,到达地面时的信号强度非常弱,并且通信链路经常会受到云、雾、雨等天气的影响,会产生很高的误码率。典型的卫星信道的误码率为1O − 710 − 2,远高于地面网络的1O − 10

  (3)非对称信道:下行链路带宽(从卫星到地面站)通常要远远大于反向链路带宽,有时候比例会达到1000:1。

  (4)链路容量有限:与有线信道相比,无线信道可用带宽较小。在空间通信领域中,链路容量往往受限于功率,比特效率对于数据传输开销和链路容量来说都非常重要。

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