深空通信

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
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。
甚长基线干涉测量（VLBI）组成
θ
τg
∆ρ = τ g C = B sin θ
∆ρ = τg C
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、 恒包络调制 π/4QPSK、MSK、SFSK、GMSK等调制方式 准恒包络调制：FQPSK、IJF-QPSK、SQORC、 准恒包络调制 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 非恒包络调制 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），译码采用维特比译 码； – LDPC（外码）＋ Turbo码（内码）。
六、对月及对太空的探测技术
• 在深空探测与通信中，美、俄等国首先对 月球进行了探测 • 欧空局、日本和印度也有探月计划 • 我国也将探月作为深空探测的重要一步， 计划采取“绕”、“落”、“回”三个步 骤，达到探月的研究目标 • 另外，美国等还对火星进行了探测。
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。
– 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（3/3）
• 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一起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。
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。
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。
深空通信的任务（2/3）
• 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
•
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。
深空通信存在的问题
• 信息传输距离极远，引起的路径损耗极大 • 断续 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。
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、低噪声接收机河宽带记录装置。
第11章 深空通信 11章
目录
一、深空通信的内涵、特点及发展现状 深空通信的内涵、 二、深空通信的频段 三、深空通信系统的结构及工作原理 深空通信的跟踪、测量、 四、深空通信的跟踪、测量、控制技术 深空通信的调制解调/编译码技术 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
深空通信的内涵、 一、深空通信的内涵、特点 及发展现状