第6章深空通信.ppt

第6章深空通信 參考文獻(xiàn) 朱立東 吳廷勇 卓永寧 衛(wèi)星通信導(dǎo)論 第3版 北京 電子工業(yè)出版社 2009年11月周賢偉等 深空通信 北京 國(guó)防工業(yè)出版社 2009年5月DavidH RogstadAlexanderMileantTimothyT Pham著 李海濤譯 深空網(wǎng)的天線組陣技術(shù) 北京 清華大學(xué)出版社 2005年5月MarvinK Simon著 夏云 孫威譯 高帶寬效率數(shù)字調(diào)制及其在深空通信中的應(yīng)用 北京 清華大學(xué)出版社 2006年8月WilliamA Imbriale著 李海濤譯 深空網(wǎng)大天線技術(shù) 北京 清華大學(xué)出版社 2006年9月 目錄 一 深空通信概述二 深空通信的頻段三 深空通信系統(tǒng)的組成及工作原理四 深空通信的跟蹤 測(cè)量 控制技術(shù)五 深空通信的調(diào)制解調(diào) 編譯碼技術(shù)六 對(duì)月及對(duì)太空探測(cè)技術(shù) 一 深空通信概述 空間通信近空通信與深空通信深空通信的特點(diǎn)深空通信的任務(wù)深空探測(cè)對(duì)通信和測(cè)控的要求深空通信存在的問題 空間通信 空間通信 以地球大氣層之外的航天器為對(duì)象的無(wú)線電通信 稱為空間無(wú)線電通信 簡(jiǎn)稱空間通信 或宇宙通信 空間通信的三種形式地球站與航天器之間的通信航天器之間的通信通過航天器的轉(zhuǎn)發(fā)或發(fā)射來進(jìn)行的地球站相互間的通信空間通信分為近空通信和深空通信 近空通信 地球上的實(shí)體與地球衛(wèi)星軌道上的航天器之間的通信 通信距離為數(shù)百至數(shù)萬(wàn)公里 深空通信 地球上的實(shí)體與離開地球衛(wèi)星軌道進(jìn)入太陽(yáng)系的航天器之間的通信 通信距離達(dá)幾十萬(wàn)公里至幾億 幾十億公里 包括各行星表面的區(qū)域通信以及地球與太陽(yáng)系以外星球間的通信 1988年世界無(wú)線電管理大會(huì)將距離地球2 106km作為新的近空和深空分界線標(biāo)準(zhǔn) 即深空是指與地球的距離大于或等于2 106km的空間 我國(guó)航天界將深空定義為月球和月球以遠(yuǎn)的外層空間 將地球上的實(shí)體與處于月球及月球以遠(yuǎn)的宇宙空間中的航天器之間的通信稱為深空通信 近空通信與深空通信 深空通信的特點(diǎn) 通信距離極其遙遠(yuǎn) 鏈路損耗大信號(hào)傳輸時(shí)延很長(zhǎng) 例如地球與火星之間的信息傳輸往返時(shí)間約為10 40min工作頻率高 可用頻帶寬非對(duì)稱的信道帶寬 上行鏈路的帶寬比下行鏈路的帶寬窄 相差1 2個(gè)數(shù)量級(jí) 例如 卡西尼 號(hào)的上行鏈路速率為1kb s 而下行為166kb s由于深空探測(cè)器平臺(tái)的限制 發(fā)射天線增益有限 發(fā)射功率通常不超過20 30W信道為AWGN 加性白高斯噪聲 模型通信系統(tǒng)要求具有極高的可靠性 費(fèi)用昂貴全天候工作能力 全球范圍設(shè)立深空通信設(shè)施 以組成深空通信網(wǎng) 表1太陽(yáng)系各行星至地球和太陽(yáng)的距離和時(shí)延 深空探測(cè)對(duì)通信和測(cè)控的要求 能將地球站的波束瞄準(zhǔn)航天器 建立空地鏈路 稱為角跟蹤 能測(cè)量出地球站到航天器的角位置 距離和速度 稱為測(cè)軌 能將航天器引導(dǎo)到距離目標(biāo)的質(zhì)心或邊緣的一定距離以內(nèi) 稱為導(dǎo)航 能將航天器內(nèi)各分系統(tǒng)的觀測(cè)儀器的工作狀況傳到地球站 使地面控制中心了解航天器的運(yùn)行情況 稱為遙測(cè) 能將航天器觀測(cè)到的數(shù)據(jù)和圖像傳到地球站 稱為數(shù)傳 地球站能對(duì)航天器自主運(yùn)行不能解決的故障 利用上行鏈路發(fā)出命令進(jìn)行輔助性干預(yù) 稱為遙控 深空通信的任務(wù) 航天器通過 下行鏈路 從航天器至地球站 也稱遙測(cè)鏈路 回傳航天器在深空所獲取的信息為實(shí)施對(duì)航天器的控制與引導(dǎo) 需要經(jīng)上行鏈路 也稱遙控鏈路 向航天器傳送跟蹤和指令信息 深空通信的跟蹤分系統(tǒng)向航天器發(fā)射被指令信號(hào)和測(cè)距信號(hào)調(diào)制的標(biāo)準(zhǔn)載波從接收信號(hào)可提取的信息包括接收信號(hào)強(qiáng)度記錄信號(hào)波形和頻譜含多普勒信息的接收信號(hào)頻率信號(hào)傳輸往返延時(shí)接收信號(hào)入射方向 深空通信的任務(wù) 續(xù) 遙測(cè)分系統(tǒng)接收來自航天器的科學(xué)數(shù)據(jù) 工程數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù) 科學(xué)數(shù)據(jù)是指航天器傳感器獲取的探測(cè)對(duì)象的信息數(shù)據(jù)工程數(shù)據(jù)是指航天器上儀器 儀表和系統(tǒng)狀態(tài)的信息數(shù)據(jù)圖像數(shù)據(jù)的信息量較科學(xué)數(shù)據(jù) 工程數(shù)據(jù)大很多 傳輸 行星任務(wù) 獲得的圖像需要幾十至幾百kb s的速率此外 回傳的信息還包括航天器對(duì)遙控信號(hào)的應(yīng)答信號(hào) 深空通信的任務(wù) 續(xù) 深空通信存在的問題 鏈路連接斷斷續(xù)續(xù) 面臨測(cè)控和通信的中斷問題 由于通信雙方處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 通信信道有中斷的可能 接收信號(hào)極其微弱 接收信噪比極低 數(shù)據(jù)傳輸誤比特率較高復(fù)雜通信環(huán)境 在月球和其它行星上 其輻射溫度和振動(dòng)等環(huán)境比地面惡劣和復(fù)雜高精度的導(dǎo)航和定位問題 二 深空通信的頻段 表2深空通信的工作頻段 目錄 一 深空通信概述二 深空通信的頻段三 深空通信系統(tǒng)的組成及工作原理四 深空通信的跟蹤 測(cè)量 控制技術(shù)五 深空通信的調(diào)制解調(diào) 編譯碼技術(shù)六 對(duì)月及對(duì)太空探測(cè)技術(shù) 三 深空通信系統(tǒng)的組成及工作原理 深空通信系統(tǒng)包括空間段和地面段空間段主要由航天器上的通信設(shè)備組成 包括飛行數(shù)據(jù) 含遙測(cè)信息及航天器探測(cè)宇宙目標(biāo)所獲得的信息 分系統(tǒng) 指令分系統(tǒng) 調(diào)制 解調(diào)分系統(tǒng) 射頻分系統(tǒng)和天線等地面段包括任務(wù)的計(jì)算和控制中心 測(cè)控設(shè)備 深空通信收發(fā)設(shè)備和天線等 圖1深空通信系統(tǒng)的組成 深空通信的基本原理 深空通信主要包括三大分系統(tǒng) 跟蹤分系統(tǒng) 遙測(cè)分系統(tǒng) 指令分系統(tǒng) 與三大分系統(tǒng)相對(duì)應(yīng) 深空通信要完成跟蹤 遙測(cè)和指令三大基本功能 跟蹤分系統(tǒng)要獲取航天器的位置和速度 無(wú)線電傳播媒質(zhì)以及太陽(yáng)系特性的信息 使地面能監(jiān)視航天器的飛行軌跡并對(duì)其導(dǎo)航 為遙測(cè)遙控提供射頻載波和附加的參考信號(hào) 以支持遙測(cè)和指令功能 遙測(cè)分系統(tǒng)接收從航天器發(fā)回地球的信息 包括科學(xué)數(shù)據(jù) 工程數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù) 科學(xué)數(shù)據(jù)源于從航天器上開展實(shí)驗(yàn)所獲得的信息 工程數(shù)據(jù)載有航天器上儀器 儀表和系統(tǒng)狀態(tài)的信息 這些數(shù)據(jù)容量中等但極有價(jià)值 要求準(zhǔn)確傳送 圖像數(shù)據(jù)容量大 但信息冗余量較大 僅要求中等質(zhì)量的傳輸 指令分系統(tǒng)將地面的控制信息發(fā)送到航天器 令其在規(guī)定的時(shí)間執(zhí)行規(guī)定的動(dòng)作 通常指令鏈路傳送的是低速率 小容量數(shù)據(jù) 但對(duì)傳輸質(zhì)量要求極高 保證到達(dá)航天器的指令準(zhǔn)確無(wú)誤 圖2地面跟蹤分系統(tǒng)框圖 跟蹤分系統(tǒng) 地面跟蹤分系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)頻率源 激勵(lì)器系統(tǒng) 發(fā)射機(jī) 產(chǎn)生S X Ka頻段射頻載波信號(hào)的微波系統(tǒng)組成 射頻載波信號(hào)可被指令和測(cè)距信號(hào)調(diào)制 圖3航天器跟蹤分系統(tǒng)框圖 接收機(jī)利用鎖相環(huán)鎖定并跟蹤上行鏈路載波 并產(chǎn)生一個(gè)相位與上行鏈路載波相干的參考信號(hào) 該信號(hào)用來解調(diào)源自上行鏈路載波的測(cè)距和指令信號(hào) 激勵(lì)器對(duì)下行鏈路載波信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)制 然后調(diào)相信號(hào)被發(fā)射機(jī)放大 并通過天線發(fā)射回到地面 DOR 差分單向測(cè)距 跟蹤分系統(tǒng)產(chǎn)生的輸出 相干載波參考信號(hào)接收信號(hào)頻率 多普勒信息 地面站到航天器來回行程的時(shí)延 測(cè)距信息 接收信號(hào)方向 角度信息 提供自動(dòng)增益控制的接收信號(hào)強(qiáng)度接收信號(hào)的波形和頻譜記錄 開環(huán)記錄 遙測(cè)分系統(tǒng) 圖4深空通信遙測(cè)分系統(tǒng)框圖 遙測(cè)發(fā)射機(jī)在航天器上 首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼 然后對(duì)一個(gè)方波副載波進(jìn)行相位調(diào)制 PSK 最后對(duì)一個(gè)正弦波進(jìn)行相位調(diào)制 PM 并發(fā)射出去 接收機(jī)在地面站 接收機(jī)跟蹤載波 并將捕獲的射頻信號(hào)下變頻到與參考信號(hào)相干的中頻 然后副載波解調(diào)得到基帶信號(hào) 之后是符號(hào)同步和譯碼 深空通信常采用PCM PSK PM調(diào)制方式 指令分系統(tǒng) 多任務(wù)指令分系統(tǒng)上行鏈路組成框圖 指令系統(tǒng) CMD 由地面向航天器提供航天器的動(dòng)作操作指令 多任務(wù)指令分系統(tǒng) MMC 將進(jìn)入任務(wù)操作中心 MOC 生效的指令的入口點(diǎn)擴(kuò)展到航天器分系統(tǒng)的指令分配點(diǎn) 分配前進(jìn)行了差錯(cuò)檢測(cè)和校正 MMC系統(tǒng)包含由MOC DSN 航天器指令檢測(cè)器和譯碼器所執(zhí)行的指令功能 指令系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)指令分發(fā)和計(jì)算功能 四 深空通信的跟蹤 測(cè)量 控制技術(shù) 跟蹤類型單向跟蹤 由航天器上的信號(hào)源產(chǎn)生下行鏈路信號(hào) 地球站接收和跟蹤該信號(hào) 地球站沒有向航天器發(fā)送上行鏈路信號(hào) 雙向跟蹤雙向相干跟蹤 由地球站產(chǎn)生上行鏈路信號(hào) 航天器接收和跟蹤該信號(hào) 航天器發(fā)射與上行鏈路相干的下行鏈路信號(hào) 供產(chǎn)生上行鏈路信號(hào)的地球站接收和跟蹤 雙向非相干跟蹤 航天器發(fā)射的下行鏈路信號(hào)與上行鏈路信號(hào)是不相干的 下行鏈路信號(hào)頻率通常由航天器上的超高穩(wěn)定的晶體振蕩器或原子鐘產(chǎn)生 三向跟蹤 一個(gè)地球站完成雙向跟蹤 另一地球站則利用不同的頻率或不同的天線跟蹤下行鏈路 距離和多普勒測(cè)量跟蹤 在深空通信中 航天器的距離測(cè)量是通過測(cè)量某個(gè)深空站產(chǎn)生的測(cè)距信號(hào)的往返傳輸時(shí)間獲得的 測(cè)站產(chǎn)生的一系列測(cè)距信號(hào)被調(diào)相在發(fā)射的載波信號(hào)上 航天器接收機(jī)鎖相環(huán)鎖定并跟蹤上行載波 再產(chǎn)生與上行載波相干的參考信號(hào) 利用參考信號(hào)對(duì)測(cè)距信號(hào)進(jìn)行解調(diào) 傳統(tǒng)多普勒和距離測(cè)軌具有局限性 促進(jìn)了甚長(zhǎng)基線干涉 VLBI 測(cè)量技術(shù)的發(fā)展 VLBI技術(shù)利用河外星系射電源 如類星體 發(fā)出的寬帶微波輻射信號(hào) 由于信號(hào)非常微弱 需要使用大口徑天線 低噪聲接收機(jī)和寬帶記錄裝置 甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量 VLBI 來自遙遠(yuǎn)信源的電波到達(dá)兩個(gè)相距極遠(yuǎn)的天線 信號(hào)被放大 混頻至基帶 數(shù)字化 打時(shí)標(biāo)并記錄 對(duì)記錄的信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)處理 以確定信號(hào)到達(dá)兩站的時(shí)間差 這一時(shí)間差稱為VLBI延遲 由幾何延遲加上鐘差 以及信號(hào)通過電離層 對(duì)流層 測(cè)量設(shè)備等引起的延遲構(gòu)成 利用基線長(zhǎng)度和方向的先驗(yàn)信息 可從幾何延遲中推導(dǎo)出信源位置的一個(gè)角度分量 五 深空通信的調(diào)制和編碼技術(shù) 調(diào)制解調(diào)技術(shù)深空通信信道是典型的帶限和非線性變參信道 由于深空通信信道的非線性效應(yīng) 要求調(diào)制后的波形盡量具有恒包絡(luò)結(jié)構(gòu) 很少采用幅度變化的數(shù)字調(diào)制技術(shù)在頻域內(nèi) 要求已調(diào)載波具有良好的頻譜特性 要求已調(diào)波具有最小的功率占有率 即已調(diào)波的頻譜要具有快速的高頻滾降特性 深空通信的調(diào)制解調(diào)技術(shù) 恒包絡(luò)調(diào)制 BPSK QPSK OQPSK 差分編碼QPSK 4QPSK MSK GMSK等調(diào)制方式準(zhǔn)恒包絡(luò)調(diào)制 FQPSK IJF QPSK SQORC 互相關(guān)網(wǎng)格編碼正交調(diào)制 XTCQM 整形偏移QPSK等調(diào)制方式 深空通信的信道編譯碼技術(shù) 深空通信的信道特點(diǎn)深空通信信道與無(wú)記憶的高斯信道非常相似 而這種信道正是編碼理論的信道模型 使得信道編碼的理論和仿真效果與實(shí)際相差無(wú)幾深空通信信道的頻帶帶寬很豐富 允許使用頻帶利用率較低的二進(jìn)制的調(diào)制方案深空通信信號(hào)信噪比極低 數(shù)據(jù)傳輸前要高度壓縮冗余部分 對(duì)傳輸中出現(xiàn)的差錯(cuò)非常敏感 采用信道編碼技術(shù)可用提升通信性能由于傳輸距離非常遠(yuǎn) 信號(hào)能量衰減嚴(yán)重 需要用各種措施來彌補(bǔ) 其中包括高增益 低編碼效率的編碼和復(fù)雜的譯碼技術(shù) 從而導(dǎo)致傳輸速率很低 編碼效率幾個(gè)常用編碼效率 1 2 2 3 4 5和7 8保證信號(hào)傳輸?shù)母呖煽啃灾械染幋a效率允許鏈路設(shè)計(jì)有更多的靈活性信道編碼的幀和碼字長(zhǎng)度CCSDS建議推薦使用的幀長(zhǎng)度值分別為1784bit 3568bit 7136bit 8920bit具有較小幀長(zhǎng)度的信道編碼有利于降低系統(tǒng)復(fù)雜度 從而減輕探測(cè)器的負(fù)荷 可考慮幀長(zhǎng)度1024bit 4096bit 7136bit和16384bit信道編碼的復(fù)雜度編解碼復(fù)雜度 與硬件實(shí)現(xiàn)電路有關(guān) 深空通信的編 譯碼 深空通信中比較成熟的編碼方式包括線性分組碼 循環(huán)碼 卷積碼和交織編碼 Turbo碼和LDPC碼可以較大地提高編碼增益 是深空通信中常用的編碼方式 此外 還采用級(jí)聯(lián)碼以及編碼和調(diào)制相結(jié)合的編碼調(diào)制方式 深空通信中可采用以下級(jí)聯(lián)碼 RS碼 外碼 卷積碼 內(nèi)碼 譯碼采用維特比譯碼 LDPC 外碼 Turbo碼 內(nèi)碼 標(biāo)準(zhǔn)級(jí)聯(lián)碼系統(tǒng)原理框圖 NASA深空任務(wù)采用的信道編碼 未來空間任務(wù)對(duì)信道編碼的要求 深空信道編碼的應(yīng)用場(chǎng)合深空遙測(cè) 不包含火星任務(wù) 火星探測(cè) 信息從探測(cè)器發(fā)送到近火星表面或者是地球地面站之間的遙測(cè)鏈路 火星和月球探測(cè)任務(wù) 鏈路設(shè)在從探測(cè)器發(fā)送到近火星表面和建在月球上的基礎(chǔ)通信設(shè)施 火星表面的應(yīng)用 鏈路設(shè)在登陸者 漫游者和接近火星表面工作的機(jī)器人之間 新型信道編碼的要求具有大的編碼增益具有高的頻譜利用效率具有較低的編碼和譯碼復(fù)雜度 六 深空通信關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 工作頻段提高到Ka深空通