深空通信

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　　按照國際電信聯盟對地球與宇宙飛行器之間通信的定義，這種通信被稱為“宇宙無線電通信，簡稱為“宇宙通信”、“空間通信，依通信距離的不同，宇宙通信又分為近空通信和深空通信。

　　1、近空通信，指地球上的通信實體與在離地球距離小於2×106公裡的空間中的地球軌道上的飛行器之間的通信。這些飛行器包括各種人造衛星、載人飛船、太空梭等，飛行器飛行的高度從幾百公裡到幾萬公裡不等。

　　2、深空通信，指地球上的通信實體與處於深空(離地球的距離等於或大於2×106公裡的空間)的離開地球衛星軌道進入太陽系的飛行器之間的通信。深空通信最突出的特點是信號傳輸的距離極其遙遠例如，探測木星的“旅行者1號航天探測器，從1977年發射，1979年到達木星，飛行航程達6．8X108公裡。航天器要將採集到的信息發回地球，需要經過37．8分鐘後才能到達地球。

　　進行深空通信包括三種形式的通信：其一是地球站與航天飛行器之間的通信；其二是飛行器之間的通信；其三是通過飛行器的轉發或反射來進行的與地球站間的通信。當飛行器距地球太遠時，由於信號太弱，可採用中繼的方式來延長通信距離，由最遠處的飛行器將信號傳到較遠處的飛行器進行轉接，再將信號傳到地球衛星上或直接傳到地球站上。

　　距離遠、信號弱、延時大、延時不穩定、數據量大是深空通信的基本特點，除此之外在技術和手段上還有如下特點：

　　1、點對點的距離遠通信。即深空通信地面站和飛行器之間通常採用無中繼遠距離無線電通信。這種通信中，電波的傳播損耗是與距離的平方成正比的。在進行行星探測等超遠距離飛行的情況下，為了剋服巨大的傳播損耗，確保在有限發射功率的情況下的可靠通信，必須採用在低信噪比下也能可靠工作的通信方式。

　　2、深空通信無大氣干擾。通信地面站收到的雜訊包括由地面大氣對電磁波的吸收而形成的等效雜訊和熱雜訊以及宇宙雜訊。其中宇宙雜訊是由射電星體、星間物質和太陽等產生的。其頻率特性在1吉赫以下時與頻率的2．8次方成反比，1吉赫以上時與頻率的平方成反比。而大氣中氧氣和水蒸汽對電波的吸收在1O吉赫以上時逐漸增大，即增加了等效雜訊。總的外來雜訊在1吉赫～1O吉赫之間比較小，目前深空通信的工作頻率多處於這一頻率範圍。深空通信中電磁波近似在真空中傳播，沒有大氣等效雜訊和熱雜訊，因此傳播條件比地面無線通信相對較好。

　　3、傳輸頻道的頻帶無嚴格限制。由於通信距離遠、宇航飛行器發射功率受限於電源、接收信號功率微弱，對其他設備干擾小，因而深空通信傳輸頻道的頻帶沒有受到嚴格限制，可以充分地使用頻帶，系統具有可選碼型、調製方式靈活的特點。

　　目前，深空通信採用了先進的調製技術、編碼方案，在接收機前端採用超低雜訊放大器，通過提高天線面的精度，並增大發射機功率來延長通信距離。繼採用改進編碼PCM之後，又引人了鏈接碼，發射機功率達到20瓦以上，開始使用x波段，天線直徑增大到3．6米。深空通信的距離已經延伸到15億公裡。

　　為瞭解決深空通信中特殊的問題，如傳輸時延大而且時變、前向與反向鏈路容量不對稱、射頻通信通道鏈路誤碼率高、信息間歇可達、固定通信基礎設施缺乏、行星之間距離影響信號強度和協議設計、功率與質量及尺寸和成本制約通信硬體和協議設計、為節約成本的後向兼容性要求等問題，‘有許多關鍵技術有待進一步的研究。

　　1、陣列天線技術。單個天線的口徑總會是有限的，採用多天線構成的陣列天線是實現天線高增益的有效手段，陣列天線具有性能良好、易於維護、成本較低、靈活性高的優點。還可以只使用一部分天線支持指定的航天器，剩下的天線面積用來跟蹤其他航天器。當某個天線失效時，其他天線還可繼續工作。例如美國國家航空和航天局的深空通信網(DSN)，建在正好是地球上相隔120。的地方，採用了多種跟蹤技術，使之在地球自轉的條件下能不斷地跟蹤和觀察航天器，從而不間斷地實現地面與航天器之間的通信和控制。我國發射的天鏈同步軌道數據中繼衛星組網後，有比美國DSN更強的功能。

　　2、高效調製解調技術。深空通信距離遠，所收信號的信噪比極低，飛行器通常採用非線性高功率放大器，放大器一般工作在飽和點，這使得深空通道具有非線性。因此，深空通信中採用具有恆包絡或準恆包絡的調製方式，以使調製後信號波形的瞬時幅度波動小，從而減小非線性的影響。目前提出的恆包絡或準恆包絡調製方式主要有GMSK、FQPSKT、SOQPSK等。

　　3、通道編碼和傳輸層協議技術。深空通信傳輸時延大，無法利用應答方式保證數據傳輸的可靠性。例如嫦娥二號衛星正飛往距地球150萬公裡以外的深空進行探測，衛星距離地球最遠將有180萬公裡，而如果要將信號從地球發往冥王星，需要3．98～6．98小時，而在這期間，兩個星球的自轉早將天線指向其他方向無法進行通信了，因此要想收到證實或握手信號已不可能。糾錯編碼是一種有效提高功率利用率的方法，典型方案是以捲積碼作為內碼，里德一所羅門碼作為外碼的級聯碼，目前正考慮採用Turbo碼和LDPC碼等長碼。

　　4、信源編碼和數據壓縮技術。為了儘可能在經過目標的極短時間內多收集數據，飛行探測器一般採用高速取樣並存儲，等離開目標後再慢速傳回地球。但速率慢則所花時間長，採用高效的信源壓縮技術，可以減少需要傳輸的數據量，使相同傳輸能力情況下傳更多的數據。

　　5、通信協議。空間數據系統協調咨詢委員會(CCSDS)建議的數據傳輸協棧可以劃分為應用層、傳輸層、網路層、數據鏈路層和物理層。

　　除解決上面所提之外，更深入的技術還包括聯合編碼調製技術、圖像壓縮技術、噴泉編碼技術、網路編碼技術、自主網路技術、量子通信技術等。這些技術的提出和解決，不僅為空間探測提供有力的保障，同時也將帶動通信技術本身的不斷進步，引發新的技術的出現和新興市場的出現。

• 謝捷峰,陳金鷹.深空通信特點與關鍵技術分析[J].《通信與信息技術》.2011,4