第6章深空通信.ppt

第6章深空通信 参考文献 朱立东 吴廷勇 卓永宁 卫星通信导论 第3版 北京 电子工业出版社 2009年11月周贤伟等 深空通信 北京 国防工业出版社 2009年5月DavidH RogstadAlexanderMileantTimothyT Pham著 李海涛译 深空网的天线组阵技术 北京 清华大学出版社 2005年5月MarvinK Simon著 夏云 孙威译 高带宽效率数字调制及其在深空通信中的应用 北京 清华大学出版社 2006年8月WilliamA Imbriale著 李海涛译 深空网大天线技术 北京 清华大学出版社 2006年9月 目录 一 深空通信概述二 深空通信的频段三 深空通信系统的组成及工作原理四 深空通信的跟踪 测量 控制技术五 深空通信的调制解调 编译码技术六 对月及对太空探测技术 一 深空通信概述 空间通信近空通信与深空通信深空通信的特点深空通信的任务深空探测对通信和测控的要求深空通信存在的问题 空间通信 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 空间通信的三种形式地球站与航天器之间的通信航天器之间的通信通过航天器的转发或发射来进行的地球站相互间的通信空间通信分为近空通信和深空通信 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 1988年世界无线电管理大会将距离地球2 106km作为新的近空和深空分界线标准 即深空是指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 将地球上的实体与处于月球及月球以远的宇宙空间中的航天器之间的通信称为深空通信 近空通信与深空通信 深空通信的特点 通信距离极其遥远 链路损耗大信号传输时延很长 例如地球与火星之间的信息传输往返时间约为10 40min工作频率高 可用频带宽非对称的信道带宽 上行链路的带宽比下行链路的带宽窄 相差1 2个数量级 例如 卡西尼 号的上行链路速率为1kb s 而下行为166kb s由于深空探测器平台的限制 发射天线增益有限 发射功率通常不超过20 30W信道为AWGN 加性白高斯噪声 模型通信系统要求具有极高的可靠性 费用昂贵全天候工作能力 全球范围设立深空通信设施 以组成深空通信网 表1太阳系各行星至地球和太阳的距离和时延 深空探测对通信和测控的要求 能将地球站的波束瞄准航天器 建立空地链路 称为角跟踪 能测量出地球站到航天器的角位置 距离和速度 称为测轨 能将航天器引导到距离目标的质心或边缘的一定距离以内 称为导航 能将航天器内各分系统的观测仪器的工作状况传到地球站 使地面控制中心了解航天器的运行情况 称为遥测 能将航天器观测到的数据和图像传到地球站 称为数传 地球站能对航天器自主运行不能解决的故障 利用上行链路发出命令进行辅助性干预 称为遥控 深空通信的任务 航天器通过 下行链路 从航天器至地球站 也称遥测链路 回传航天器在深空所获取的信息为实施对航天器的控制与引导 需要经上行链路 也称遥控链路 向航天器传送跟踪和指令信息 深空通信的跟踪分系统向航天器发射被指令信号和测距信号调制的标准载波从接收信号可提取的信息包括接收信号强度记录信号波形和频谱含多普勒信息的接收信号频率信号传输往返延时接收信号入射方向 深空通信的任务 续 遥测分系统接收来自航天器的科学数据 工程数据和图像数据 科学数据是指航天器传感器获取的探测对象的信息数据工程数据是指航天器上仪器 仪表和系统状态的信息数据图像数据的信息量较科学数据 工程数据大很多 传输 行星任务 获得的图像需要几十至几百kb s的速率此外 回传的信息还包括航天器对遥控信号的应答信号 深空通信的任务 续 深空通信存在的问题 链路连接断断续续 面临测控和通信的中断问题 由于通信双方处于相对运动状态 通信信道有中断的可能 接收信号极其微弱 接收信噪比极低 数据传输误比特率较高复杂通信环境 在月球和其它行星上 其辐射温度和振动等环境比地面恶劣和复杂高精度的导航和定位问题 二 深空通信的频段 表2深空通信的工作频段 目录 一 深空通信概述二 深空通信的频段三 深空通信系统的组成及工作原理四 深空通信的跟踪 测量 控制技术五 深空通信的调制解调 编译码技术六 对月及对太空探测技术 三 深空通信系统的组成及工作原理 深空通信系统包括空间段和地面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 图1深空通信系统的组成 深空通信的基本原理 深空通信主要包括三大分系统 跟踪分系统 遥测分系统 指令分系统 与三大分系统相对应 深空通信要完成跟踪 遥测和指令三大基本功能 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 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 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 图2地面跟踪分系统框图 跟踪分系统 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3航天器跟踪分系统框图 接收机利用锁相环锁定并跟踪上行链路载波 并产生一个相位与上行链路载波相干的参考信号 该信号用来解调源自上行链路载波的测距和指令信号 激励器对下行链路载波信号进行相位调制 然后调相信号被发射机放大 并通过天线发射回到地面 DOR 差分单向测距 跟踪分系统产生的输出 相干载波参考信号接收信号频率 多普勒信息 地面站到航天器来回行程的时延 测距信息 接收信号方向 角度信息 提供自动增益控制的接收信号强度接收信号的波形和频谱记录 开环记录 遥测分系统 图4深空通信遥测分系统框图 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 指令分系统 多任务指令分系统上行链路组成框图 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 四 深空通信的跟踪 测量 控制技术 跟踪类型单向跟踪 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 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 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 距离和多普勒测量跟踪 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 甚长基线干涉测量 VLBI 来自遥远信源的电波到达两个相距极远的天线 信号被放大 混频至基带 数字化 打时标并记录 对记录的信号进行互相关处理 以确定信号到达两站的时间差 这一时间差称为VLBI延迟 由几何延迟加上钟差 以及信号通过电离层 对流层 测量设备等引起的延迟构成 利用基线长度和方向的先验信息 可从几何延迟中推导出信源位置的一个角度分量 五 深空通信的调制和编码技术 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 深空通信的调制解调技术 恒包络调制 BPSK QPSK OQPSK 差分编码QPSK 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 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 深空通信的编 译码 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 标准级联码系统原理框图 NASA深空任务采用的信道编码 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 六 深空通信关键技术的发展趋势 工作频段提高到Ka深空通