卫星通信导论（第5版） 课件 第11章 深空通信

第11章

深空通信

目录一、深空通信的内涵、特点及发展现状二、深空通信的频段三、深空通信系统的结构及工作原理四、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、深空通信的内涵、特点

及发展现状深空通信的内涵深空通信的任务深空探测对通信和测控的要求深空通信的特点深空通信存在的问题深空通信的发展现状

深空通信的内涵深空通信是相对于“近空通信”而言的“近空通信”指的是地球轨道上运行的航天器与地球上的实体之间的通信，通信距离为数百至数万公里深空通信指的是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、几亿至几十亿公里。深空通信的任务（1/3）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接收信号强度记录信号波形和频谱深空通信的任务（2/3）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信息数据工程数据是指航天器上仪器、仪表和系统状态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（3/3）深空探测对通信和测控的要求能将地球站波束瞄准航天器，建立空地链路，称为角跟踪能测量出地球到航天器天球上的角位置、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。深空通信的特点通信距离极其遥远，链路损耗大，接收信号极其微弱，接收信噪比低由于信号传输距离及其遥远，导致信号传输时延很长航天器上的通信系统要求具有极高的可靠性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）模型信道带宽不受限制深空通信存在的问题信息传输距离极远，引起的路径损耗极大断续测控和通信问题高精度的导航和定位问题表1地球至太阳系各行星的距离和时延二、深空通信的频段三、深空通信系统的结构及工作原理深空通信系统包括空间段和地面段；其中空间段主要由航天器上的通信设备组成，包括飞行数据分系统、指令分系统、调制/解调、射频分系统和天线等；地面段包括任务的计算和控制中心、到达深空通信站的传输线路、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：指令分系统、跟踪分系统、遥测分系统。与三大分系统相对应，深空通信要完成指令、跟踪和遥测三大基本功能，前二者负责从地球对航天器的引导和控制，后者则是传输通过航天器探测宇宙所获得的信息。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。跟踪分系统要获取有关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，同时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。科学数据载有从航天器上仪器、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。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的上行链路信号；双向跟踪：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。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；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。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）组成五、深空通信的调制解调/编译码技术调制解调技术信道编译码技术深空通信调制解调技术恒包络调制：QPSK、OQPSK、差分编码QPSK、π/4QPSK、MSK、SFSK、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等调制方式非恒包络调制：对于恒包络和准恒包络调制，由于其本身固有的记忆性，为了实现最佳接收，必须使用网格解码器。理论上，网格解码器只有在观测完整个发送信号相应的信道输出后，才能开始对发送信号进行最大似然估计，因而会导致较大的解码延迟。深空通信信道编译码技术深空通信的信道特点深空通信的级联码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，这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，允许使用低频带利用率的编码和二进制的调制方案；由于传输距离非常远，信号能量衰减严重。如此巨大的信号衰减，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。深空通信的编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，也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