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1、第第6章章 深空通信深空通信参考文献参考文献 朱立东，吴廷勇，卓永宁。卫星通信导论（第朱立东，吴廷勇，卓永宁。卫星通信导论（第3版），北京：电子工业出版社，版），北京：电子工业出版社，2009年年11月月 周贤伟等，深空通信，北京：国防工业出版社，周贤伟等，深空通信，北京：国防工业出版社，2009年年5月月 David H.Rogstad Alexander Mileant Timothy T.Pham著，李海涛译。深空网的天线组阵技术，北著，李海涛译。深空网的天线组阵技术，北京：清华大学出版社，京：清华大学出版社，2005年年5月月 Marvin K.Simon著，夏云，孙威译。高带宽效率著
2、，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：清华数字调制及其在深空通信中的应用，北京：清华大学出版社，大学出版社，2006年年8月月 William A.Imbriale著，李海涛译。深空网大天著，李海涛译。深空网大天线技术，北京：清华大学出版社，线技术，北京：清华大学出版社，2006年年9月月目录目录一、深空通信概述一、深空通信概述二、深空通信的频段二、深空通信的频段三、深空通信系统的组成及工作原理三、深空通信系统的组成及工作原理四、深空通信的跟踪、测量、控制技术四、深空通信的跟踪、测量、控制技术五、深空通信的调制解调五、深空通信的调制解调/编译码技术编译码技术六、对月及
3、对太空探测技术六、对月及对太空探测技术一、深空通信概述一、深空通信概述n空间通信空间通信n近空通信与深空通信近空通信与深空通信n深空通信的特点深空通信的特点n深空通信的任务深空通信的任务n深空探测对通信和测控的要求深空探测对通信和测控的要求n深空通信存在的问题深空通信存在的问题空间通信空间通信 空间通信空间通信：以：以地球大气层之外地球大气层之外的航天器为的航天器为对象的无线电通信，称为空间无线电通信，对象的无线电通信，称为空间无线电通信，简称空间通信，或简称空间通信，或宇宙通信宇宙通信。空间通信的空间通信的三种形式三种形式 地球站与航天器之间的通信地球站与航天器之间的通信 航天器之间的通信航
4、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通过航天器的转发或发射来进行的地球站相互间的通信间的通信 空间通信分为空间通信分为近空通信近空通信和和深空通信深空通信 近空通信：近空通信：地球上的实体与地球卫星轨道上的航天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器之间的通信，通信距离为数百至数万公里。深空通信：深空通信：地球上的实体与离开地球卫星轨道进入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太阳系的航天器之间的通信，通信距离达几十万公，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里至几亿、几十亿公里，包括各行星表面的
5、区域通信以及地球与太阳系以外星球间的通信。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年世界无线电管理大会将距离地球2106 km作为新的近空和深空分界线标准，即深空作为新的近空和深空分界线标准，即深空是指与地是指与地球的距离大于或等于球的距离大于或等于2106 km的空间的空间。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，将地球上的实体与间，将地球上的实体与处于月球及月球以远的宇宙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近空通信与深空通信深空
6、通信的特点深空通信的特点 通信距离极其遥远，链路损耗大通信距离极其遥远，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传输往返时间约为1040 min 工作频率高，可用频带宽工作频率高，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，相差的带宽窄，相差12个数量级。例如，个数量级。例如，“卡西尼卡西尼”号的上行链路速率为号的上行链路速率为1 kb/s，而下行为，而下行为166 kb/s 由于深空探测器平台的限制，发射天线增益有限，由于深空探测器平台的限制，发射天线增益有限
7、，发射功率通常不超过发射功率通常不超过2030W 信道为信道为AWGN（加性白高斯噪声）模型（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，全天候工作能力。全球范围设立深空通信设施，以组成深空通信网以组成深空通信网表表1 1 太阳系各行星至地球和太阳的距离和时延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深空探测对通信和测控的要求l 能将地球站的波束瞄准航天器，建立空地链路，称为角跟踪；能将地球站的波束瞄准航天器，建立空地链路，称为角跟踪；l 能测量出地球站到航天器的角位置、距离和
8、速度，称为测轨；能测量出地球站到航天器的角位置、距离和速度，称为测轨；l 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，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；称为导航；l 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，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；使地面控制中心了解航天器的运行情况，称为遥测；l 能将航天器观测到的数据和图像传到地球站，称为数传；能将航天器观测到的数据和图像传到地球站，称为数传；l 地球站能对航天器自主运行不能解决的故障，利用上行链路地球站能对航天器自主运行不能解决的故障，利
9、用上行链路发出命令进行辅助性干预，称为遥控。发出命令进行辅助性干预，称为遥控。深空通信的任务深空通信的任务 航天器通过航天器通过“下行链路下行链路”（从航天器至地（从航天器至地球站，也称遥测链路）回传航天器在深空球站，也称遥测链路）回传航天器在深空所获取的信息所获取的信息 为实施对航天器的控制与引导，需要经上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）向航天器传送跟行链路（也称遥控链路）向航天器传送跟踪和指令信息踪和指令信息 深空通信的跟踪分系统向航天器发射被指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
10、包括从接收信号可提取的信息包括 接收信号强度接收信号强度 记录信号波形和频谱记录信号波形和频谱 含多普勒信息的接收信号频率含多普勒信息的接收信号频率 信号传输往返延时信号传输往返延时 接收信号入射方向接收信号入射方向深空通信的任务（续）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。程数据和图像数据。科学数据是指航天器传感器获取的科学数据是指航天器传感器获取的探测对象的信探测对象的信息数据息数据 工程数据是指航天器上工程数据是指航天器上仪器、仪表和系统状态的仪器、仪表和系统状态的信息数据信息数据 图像数据的信息量较科学数据、工程
11、数据大很多，图像数据的信息量较科学数据、工程数据大很多，传输传输“行星任务行星任务”获得的图像需要获得的图像需要几十至几百几十至几百kb/s的速率的速率 此外，回传的信息还包括航天器对遥控信号的此外，回传的信息还包括航天器对遥控信号的应应答信号答信号深空通信的任务（续）深空通信的任务（续）深空通信存在的问题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。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，通信信道有中由于通信双方处于相对运动状态，通信信道有中断的可能。断的可能。接收信号极其微弱，接收信噪比极低，数据传输接收信号极其微弱，接收信噪比极低，数据
12、传输误比特率较高误比特率较高 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高精度的导航和定位问题二、深空通信的频段二、深空通信的频段表表2 2 深空通信的工作频段深空通信的工作频段目录目录一、深空通信概述一、深空通信概述二、深空通信的频段二、深空通信的频段三、深空通信系统的组成及工作原理三、深空通信系统的组成及工作原理四、深空通信的跟踪、测量、控制技术四、深空通信的跟踪、测量、控制技术五、深空通信的调制解调五、深空通信的调制解调/编译码技术编译码技术六、对月及对太空探测技
13、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、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深空通信收发设备和天线等图图1 1 深空通
14、信系统的组成深空通信系统的组成深空通信的基本原理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、指令分系统统、遥测分系统、指令分系统。与三大分。与三大分系统相对应，深空通信要完成跟踪、遥测系统相对应，深空通信要完成跟踪、遥测和指令三大基本功能。和指令三大基本功能。跟踪分系统跟踪分系统要获取航天器的要获取航天器的位置和速度位置和速度、无线电传播媒质、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以及太阳系特性的信息，使地面能监视航天器的飞行轨迹飞行轨迹并对其导航并对其导航。为遥测遥控提供射频载波和附加的。为遥测遥控提供射频载波
15、和附加的参考信号参考信号，以支持遥测和指令功能。以支持遥测和指令功能。遥测分系统遥测分系统接收接收从航天器发回地球的信息，包括科学数据、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。工程数据和图像数据。科学数据源于从航天器上开展实验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。量的传输。指令分
16、系统指令分系统将地面的将地面的控制信息控制信息发送到航天器，令其在规定发送到航天器，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、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。指令准确无误。图图2 2 地面跟踪分系统框图地面跟踪分系统框图跟踪分系统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图3 3 航天器跟踪分系统框图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。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
