深空通信技术的现状与发展

深空通信技术的现状与发展摘要：深空通信技术的保障对于深空探测的具有重要的意义。本文从深空通信的概念、特点及其关键技术三方面出发来对深空通信技术进行综述，并在最后对其发展趋势进行了展望。关键词：深空通信远距传输关键技术1引言人类的航天活动一般可分为卫星应用、载人航天和深空探测三大领域。我国在前两个领域已经取得令人瞩目成就的基础上开展深空探测活动，是航天技术发展的必然选择，也是人类进一步了解宇宙，了解太阳系，了解地球与生命的起源和演化，获取更多科学认识的必须手段[1]。我国的第一颗探月卫星——“嫦娥”一号迈出了深空探测的第一步，成功抵达了38万公里外的月球；而之后我国搭乘俄罗斯“福布斯”号探测器的“萤火一号”火星探测器却出师未捷，宣告失败。事实上，前苏联在冷战时期曾多次向火星发射探测器，但几乎都以失败告终，这基本上都是其深空测控网的不完善造成的。由此可见，深空通信技术对于深空探测是不可或缺的。在深空探测进程中，地面对探测器的所有指令信息、遥测遥控信息、跟踪导航信息、飞行姿态控制、轨道控制等信息及科学数据、图像、文件、声音等数据的传输，都要靠通信系统来完成和保障。从这个意义上讲，离开了深空通信，深空探测就无法进行[2]。2深空通信概述2.1深空通信的概念按照国际电信联盟（ITU）对地球与宇宙飞行器之间通信的定义，这种通信被称为“宇宙无线电通信”，简称为“宇宙通信”、“空间通信”，依通信距离的不同，宇宙通信又分为近空通信和深空通信。近空通信是指地球上的通信实体与在离地球距离小于2百万公里的空间中的地球轨道上的飞行器之间的通信。这些飞行器包括各种人造卫星、载人飞船、航天飞机等，飞行器飞行的高度从几百公里到几万公里不等。深空通信是指地球上的通信实体与处于深空（离地球的距离等于或大于2百万公里的空间）的离开地球卫星轨道进入太阳系的飞行器之间的通信。深空通信最突出的特点是信号传输的距离极其遥远。例如，探测木星的“旅行者1号”航天探测器，从1977年发射，1979年到达木星，飞行航程达6.8×108公里。航天器要将采集到的信息发回地球，需要经过37.8分钟后才能到达地球[2]。深空通信包括三种形式的通信：地球站与航天飞行器之间的通信；飞行器之间的通信；通过飞行器的转发或反射来进行的与地球站间的通信。当飞行器距地球太远时，由于信号太弱，可采用中继的方式来延长通信距离，由最远处的飞行器将信号传到较远处的飞行器进行转接，再将信号传到地球卫星上或直接传到地球站上。2.2深空通信的历史深空通信起源于美国20世纪中期对于太阳系内行星及其卫星的探测工程，主要伴随着美国对深空网（DSN）的建设而发展。DSN主要为NASA的深空探测器提供跟踪、数据获取和通信服务。此外，DSN还用于收集射电科学、射电天文、甚长基线干涉仪(VLBI)和行星雷达等领域的科学数据，并用于支持大椭圆轨道(HEO)航天器的发射和早期轨道段(LEOP)，以及在紧急情况下为低地球轨道(LEO)任务提供支持。DSN始建于1958年，当时仅在戈尔德斯敦建有一个26m站，用来支持无人月球探测计划。这种天线工作在L频段(960MHz)，采用卡塞格伦设计，采用带极化器的锥形喇叭馈源。1961年，又分别在堪培拉和约翰内斯堡建立了一个26m站。三站经度相隔约120。，形成一个完整的26m站网，可完全覆盖20000krn高的轨道。1964年，这些26m天线的工作频段改为S频段，并且采用了双模式圆锥馈源。后来(~1976)又进行厂改进，利用双工光学反射馈源使这些天线可以同时支持S和X频段，口径也从26m扩大到34m。这些天线便是目前的标准34m天线(34mSTD)，各站均有一副。1966年，为了扩展DSN的通信能力，在戈尔德斯敦建造了一个64m站。70年代初，又在另外两处分别建了一个64m站。80年代末，为了支持“旅行者2号”飞往海王星，64m天线的口径被扩展到70m。1982年，DSN引入了一种采用公共口径馈源喇叭以及双形光学设汁以获得最佳增益的新型34m天线。在DSN的各设施增加了一副这样的天线，被称作高效率天线(34mHEF)。1990年初，研制出一种新型研发(R&D)天线并得到测试，将射束波导天线(BWG)和Ka频段引入DSN。这种新型研发天线最初是为X和Ka频段设计的，但后来经过改造加入了S频段[17]。目前，NASA在戈尔德斯敦、马德里和堪培拉各建立了一个深空站来构成其全球的深空网。2.3深空通信的系统组成典型的深空通信系统的组成，如图1所示，在航天器上的通信设备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。在地面段则包括任务的计算和控制中心、到达深空通信站的传输线路地面的和卫星通信、测控设备、深空通信收发设备和天线等[3]。图1典型的深空通信系统组成2.4深空通信的基本任务深空通信要执行的基本任务及基本功能有3个指令、跟踪和遥测。前两者负责从地球对航天器的引导和控制，后者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，令其在规定时间内按规定的参数执行规定动作，如改变飞行路线等．在指令链路中传送低容量的低速率数据，但传输质量要求极高，以保证到达航天器的指令准确无误。跟踪分系统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所获取的有关探测对象的信息，这些数据容量中等但极有价值，要求准确传送。工程数据报告航天器上仪器、仪表和系统状态的信息，容量甚低，仅要求中等质量的传送。图像数据的容量大，因信息冗余量较大，故仅要求中等质量的传输[3]。3深空通信的特点与地面通信或地球卫星通信相比，深空通信具有以下特点：（1）通信距离非常遥远，通信路径损失大，接收信号信噪比极低，传输时延长且可变。表1[4]列出了太阳系内各主要天体与地球的距离及相应的路径损失和时延。就目前来看，深空通信主要表现为地面站与飞行器之间的无中继远距离无线电通信，其电波的传播损耗是与距离的平方成正比的，信号的衰减也导致了信噪比的降低，这对于发射方的发射功率以及接收方的信号接受能力提出了很高的要求。而对于时延问题，如果说月球一秒多的延时还可以勉强算作实时通信的话，事实上的处于深空通信层面的最少也超过两分钟，实时通信根本无从谈起。所以深空探测中的探测器遇到目标时，一般先采用高速取样存储,存储在探测器上的大容量存储器中，离开目标后，再慢速传回地球[5]。但这对于飞行器上的存储空间提出了极高的要求。表1地球至太阳系各行星的距离和时延（2）断续测控与通信问题。探测器对地外天体的探测，包括飞越、绕飞和硬、软着陆考察几种方式。由于地球和被测星体的自转、运动,探测卫星也是运动的，在地球表面建一座深空测控和通信站，平均来说只能观测到探测器8~12小时，反过来探测器也只能和一座深空站建立8~12小时的通信链路[5]。（3）对误码率的要求高。深空探测中的遥控、跟踪等指令信息都是不容错的数据必须采取必要的措施保障数据传输的可靠性。（4）功率、重量、尺寸和造价等因素都限制着通信设备硬件和协议的设计。（5）传输频道的频带无严格限制。由于通信距离远、宇航飞行器发射功率受限于电源、接收信号功率微弱，对其他设备干扰小，因而深空通信传输频道的频带没有受到严格限制，可以充分地使用频带，系统具有可选码型、调制方式灵活的特点。4深空通信的关键技术4.1天线组阵技术深空通信为提高信噪比（SNR），往往要求大口径的天线来增加接收面积，但天线口径的过度增加会使结构和重量庞大，伺服驱动也异常困难，工程上不可能无限制增长。以NASA深空网（DSN）的70m大天线为例，其高76米，重达7260吨。故必须采用天线组阵技术。天线组阵是指在一定地域范围内多个天线组成阵列，将各天线接收到的同一信源的信号合成，提高接收信噪比。在各天线噪声不相关的条件下，理论上N个天线组阵接收信号的SNR是单个天线的N倍。若用体积小、重量轻、波束宽的中小口径天线组阵，则对信号捕获跟踪更为有利。另外，在能力扩展、可靠性、灵活性、多目标通信和成本等方面，天线组阵比单个大天线的优势也更加明显[6]。天线组阵的关键技术在于阵址选择及布局、阵元直径与数量选择、阵的构型设计、组阵信号处理算法等。其中对于阵址选择与布局，NASA建议在地球南北纬30°~40°之间，间隔120°经线上各建一个阵，这样便能解决地球自转条件下地面站对于飞行器的断续测控问题。4.2提高载波频率由于天线增益与载波频率之间是平方的关系，因而可以通过提高载波频率来获得天线的高增益。但是，这受到频率资源以及硬件设备研制水平的制约。其引起的技术困难主要有二点：①天线反射面加工精度和理想旋转抛物面相比，均方根误差必须小于λ/32，因此，加工困难随频率提高而提高，而且安装调整困难；②电磁波穿过地球大气时的降雨损失和氧气吸收损失随频率升高而增加。提高频段后，只有增建地球站，避开降雨区，选用无降雨站接收[4]。现有的载波频率为S频段，如将其提高到X频段，约带来12dB左右的改善，将其提高到Ka频段，则约带来25dB左右的改善。但在地球表面建设陆基深空站，因大气存在引起的损耗，提高载波至Ka频段，恐已是极限，没有再发展的余地。4.3高精度导航定位问题导航定位是深空通信的基础,深空探测器在空间运行,地面站同它建立通信链路、保证通信质量必须知道探测器在相应坐标系中的位置(距离和角度)和速度,使得天线主瓣方向能够对准探测器和接收信号,反之同理。由于深空探测距离很远,就更加需要精确的测角、测距和测速能力,为深空探测器导航定位[5]。传统的导航技术为伪码测距、多普勒频移测速，需要利用足够长的飞行弧段才能达到所需的精度,需要很长的测量时间。目前美俄仍采用这两种技术，但测角改用VLBI(VeryLongBaselineInterferometry)测角来取代单脉冲测角。VLBI采用测距来换算出角度，因测距误差和基线长短无关，因而可以增加基线长度来减少测距误差的影响，以提高测角精度。VLBI的两个深空站相距有上万公里,测角精度高,但不能实时导航，需要将纪录的数据集中到控制中心进行相关处理，需要一个星期才能得出结果。而继VLBI问世之后，NASA又发展了双差单向测距(∆DOR，DeltaDifferentialOne-wayRanging)和双差单向测速(∆DOD，DeltaDifferentialOne-wayDoppler)两种差分VLBI技术[14]。NASA还开发出一种称为CEI(contiguouselementsinterferometer)连接元干涉仪技术，两测站只相距21km，中间用宽带光纤连接，采用统一的原子钟，用光纤来分配频率和时间标准，测站收到信号用光纤实时传到数处中心处理。其优点之一是测角精度达80nrad，和VIBI测角精度近似；优点之二是可用于实时导航。这是一种很有前途的实时测角方法。另外一种测轨方法只需要测出多普勒频率加上地球的自转，根据HemiltonMelburne方程，2天的数据即可求出6个轨道根数[4]。4.4高效调制解调技术与其他通信系统相比，深空通信中的功率受限问题更加突出。为了有效利用功率资源，飞行器通常采用非线性功率放大器（HPA），而且为了获得最大的转换效率，放大器一般工作在饱和点。因此，在深空通信中应采用具有恒包络或准恒包络的调制方式，以使得调制后信号波形的瞬时幅度波动尽量小，从而减小非线性的影响。此外，通过在深空通信中联合使用带宽有效调制技术与高性能纠错编码技术，可以在提高编码增益的同时，提高系统的带宽利用率。目前在空间通信（包括卫星通信）中受到关注的有：SOQPSK调制、GMSK调制、FQPSK调制[7]。4.5信道编译码技术信道编译码技术是保证信息传输准确性的必要手段。而深空通信信道可以建模为理想的与无记忆的高斯信道（AWGN）信道，其频带资源相对丰裕，而有限的探测设备尺寸、极长的