第6章深空通信.ppt

第6章深空通信 參考文獻 朱立東 吳廷勇 卓永寧 衛(wèi)星通信導論 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 北京 清華大學出版社 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用 北京 清華大學出版社 2006年8月WilliamA Imbriale著 李海濤譯 深空網(wǎng)大天線技術 北京 清華大學出版社 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 測量 控制技術五 深空通信的調(diào)制解調(diào) 編譯碼技術六 對月及對太空探測技術 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深空通信的任務深空探測對通信和測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象的無線電通信 稱為空間無線電通信 簡稱空間通信 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發(fā)或發(fā)射來進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)萬公里 深空通信 地球上的實體與離開地球衛(wèi)星軌道進入太陽系的航天器之間的通信 通信距離達幾十萬公里至幾億 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系以外星球間的通信 1988年世界無線電管理大會將距離地球2 106km作為新的近空和深空分界線標準 即深空是指與地球的距離大于或等于2 106km的空間 我國航天界將深空定義為月球和月球以遠的外層空間 將地球上的實體與處于月球及月球以遠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 通信距離極其遙遠 鏈路損耗大信號傳輸時延很長 例如地球與火星之間的信息傳輸往返時間約為10 40min工作頻率高 可用頻帶寬非對稱的信道帶寬 上行鏈路的帶寬比下行鏈路的帶寬窄 相差1 2個數(shù)量級 例如 卡西尼 號的上行鏈路速率為1kb s 而下行為166kb s由于深空探測器平臺的限制 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 費用昂貴全天候工作能力 全球范圍設立深空通信設施 以組成深空通信網(wǎng) 表1太陽系各行星至地球和太陽的距離和時延 深空探測對通信和測控的要求 能將地球站的波束瞄準航天器 建立空地鏈路 稱為角跟蹤 能測量出地球站到航天器的角位置 距離和速度 稱為測軌 能將航天器引導到距離目標的質(zhì)心或邊緣的一定距離以內(nèi) 稱為導航 能將航天器內(nèi)各分系統(tǒng)的觀測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行情況 稱為遙測 能將航天器觀測到的數(shù)據(jù)和圖像傳到地球站 稱為數(shù)傳 地球站能對航天器自主運行不能解決的故障 利用上行鏈路發(fā)出命令進行輔助性干預 稱為遙控 深空通信的任務 航天器通過 下行鏈路 從航天器至地球站 也稱遙測鏈路 回傳航天器在深空所獲取的信息為實施對航天器的控制與引導 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)射被指令信號和測距信號調(diào)制的標準載波從接收信號可提取的信息包括接收信號強度記錄信號波形和頻譜含多普勒信息的接收信號頻率信號傳輸往返延時接收信號入射方向 深空通信的任務 續(xù) 遙測分系統(tǒng)接收來自航天器的科學數(shù)據(jù) 工程數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù) 科學數(shù)據(jù)是指航天器傳感器獲取的探測對象的信息數(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)的信息量較科學數(shù)據(jù) 工程數(shù)據(jù)大很多 傳輸 行星任務 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遙控信號的應答信號 深空通信的任務 續(xù) 深空通信存在的問題 鏈路連接斷斷續(xù)續(xù) 面臨測控和通信的中斷問題 由于通信雙方處于相對運動狀態(tài) 通信信道有中斷的可能 接收信號極其微弱 接收信噪比極低 數(shù)據(jù)傳輸誤比特率較高復雜通信環(huán)境 在月球和其它行星上 其輻射溫度和振動等環(huán)境比地面惡劣和復雜高精度的導航和定位問題 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 測量 控制技術五 深空通信的調(diào)制解調(diào) 編譯碼技術六 對月及對太空探測技術 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備組成 包括飛行數(shù)據(jù) 含遙測信息及航天器探測宇宙目標所獲得的信息 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的計算和控制中心 測控設備 深空通信收發(fā)設備和天線等 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) 遙測分系統(tǒng) 指令分系統(tǒng) 與三大分系統(tǒng)相對應 深空通信要完成跟蹤 遙測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 無線電傳播媒質(zhì)以及太陽系特性的信息 使地面能監(jiān)視航天器的飛行軌跡并對其導航 為遙測遙控提供射頻載波和附加的參考信號 以支持遙測和指令功能 遙測分系統(tǒng)接收從航天器發(fā)回地球的信息 包括科學數(shù)據(jù) 工程數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù) 科學數(shù)據(jù)源于從航天器上開展實驗所獲得的信息 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)容量中等但極有價值 要求準確傳送 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)定的時間執(zhí)行規(guī)定的動作 通常指令鏈路傳送的是低速率 小容量數(shù)據(jù) 但對傳輸質(zhì)量要求極高 保證到達航天器的指令準確無誤 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)由標準頻率源 激勵器系統(tǒng) 發(fā)射機 產(chǎn)生S X Ka頻段射頻載波信號的微波系統(tǒng)組成 射頻載波信號可被指令和測距信號調(diào)制 圖3航天器跟蹤分系統(tǒng)框圖 接收機利用鎖相環(huán)鎖定并跟蹤上行鏈路載波 并產(chǎn)生一個相位與上行鏈路載波相干的參考信號 該信號用來解調(diào)源自上行鏈路載波的測距和指令信號 激勵器對下行鏈路載波信號進行相位調(diào)制 然后調(diào)相信號被發(fā)射機放大 并通過天線發(fā)射回到地面 DOR 差分單向測距 跟蹤分系統(tǒng)產(chǎn)生的輸出 相干載波參考信號接收信號頻率 多普勒信息 地面站到航天器來回行程的時延 測距信息 接收信號方向 角度信息 提供自動增益控制的接收信號強度接收信號的波形和頻譜記錄 開環(huán)記錄 遙測分系統(tǒng) 圖4深空通信遙測分系統(tǒng)框圖 遙測發(fā)射機在航天器上 首先對數(shù)據(jù)進行編碼 然后對一個方波副載波進行相位調(diào)制 PSK 最后對一個正弦波進行相位調(diào)制 PM 并發(fā)射出去 接收機在地面站 接收機跟蹤載波 并將捕獲的射頻信號下變頻到與參考信號相干的中頻 然后副載波解調(diào)得到基帶信號 之后是符號同步和譯碼 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作操作指令 多任務指令分系統(tǒng) MMC 將進入任務操作中心 MOC 生效的指令的入口點擴展到航天器分系統(tǒng)的指令分配點 分配前進行了差錯檢測和校正 MMC系統(tǒng)包含由MOC DSN 航天器指令檢測器和譯碼器所執(zhí)行的指令功能 指令系統(tǒng)實現(xiàn)多任務指令分發(fā)和計算功能 四 深空通信的跟蹤 測量 控制技術 跟蹤類型單向跟蹤 由航天器上的信號源產(chǎn)生下行鏈路信號 地球站接收和跟蹤該信號 地球站沒有向航天器發(fā)送上行鏈路信號 雙向跟蹤雙向相干跟蹤 由地球站產(chǎn)生上行鏈路信號 航天器接收和跟蹤該信號 航天器發(fā)射與上行鏈路相干的下行鏈路信號 供產(chǎn)生上行鏈路信號的地球站接收和跟蹤 雙向非相干跟蹤 航天器發(fā)射的下行鏈路信號與上行鏈路信號是不相干的 下行鏈路信號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 距離和多普勒測量跟蹤 在深空通信中 航天器的距離測量是通過測量某個深空站產(chǎn)生的測距信號的往返傳輸時間獲得的 測站產(chǎn)生的一系列測距信號被調(diào)相在發(fā)射的載波信號上 航天器接收機鎖相環(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 利用參考信號對測距信號進行解調(diào) 傳統(tǒng)多普勒和距離測軌具有局限性 促進了甚長基線干涉 VLBI 測量技術的發(fā)展 VLBI技術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 由于信號非常微弱 需要使用大口徑天線 低噪聲接收機和寬帶記錄裝置 甚長基線干涉測量 VLBI 來自遙遠信源的電波到達兩個相距極遠的天線 信號被放大 混頻至基帶 數(shù)字化 打時標并記錄 對記錄的信號進行互相關處理 以確定信號到達兩站的時間差 這一時間差稱為VLBI延遲 由幾何延遲加上鐘差 以及信號通過電離層 對流層 測量設備等引起的延遲構成 利用基線長度和方向的先驗信息 可從幾何延遲中推導出信源位置的一個角度分量 五 深空通信的調(diào)制和編碼技術 調(diào)制解調(diào)技術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 要求調(diào)制后的波形盡量具有恒包絡結構 很少采用幅度變化的數(shù)字調(diào)制技術在頻域內(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 恒包絡調(diào)制 BPSK QPSK OQPSK 差分編碼QPSK 4QPSK MSK GMSK等調(diào)制方式準恒包絡調(diào)制 FQPSK IJF QPSK SQORC 互相關網(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 深空通信的信道特點深空通信信道與無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際相差無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制的調(diào)制方案深空通信信號信噪比極低 數(shù)據(jù)傳輸前要高度壓縮冗余部分 對傳輸中出現(xiàn)的差錯非常敏感 采用信道編碼技術可用提升通信性能由于傳輸距離非常遠 信號能量衰減嚴重 需要用各種措施來彌補 其中包括高增益 低編碼效率的編碼和復雜的譯碼技術 從而導致傳輸速率很低 編碼效率幾個常用編碼效率 1 2 2 3 4 5和7 8保證信號傳輸?shù)母呖煽啃灾械染幋a效率允許鏈路設計有更多的靈活性信道編碼的幀和碼字長度CCSDS建議推薦使用的幀長度值分別為1784bit 3568bit 7136bit 8920bit具有較小幀長度的信道編碼有利于降低系統(tǒng)復雜度 從而減輕探測器的負荷 可考慮幀長度1024bit 4096bit 7136bit和16384bit信道編碼的復雜度編解碼復雜度 與硬件實現(xiàn)電路有關 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 還采用級聯(lián)碼以及編碼和調(diào)制相結合的編碼調(diào)制方式 深空通信中可采用以下級聯(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 標準級聯(lián)碼系統(tǒng)原理框圖 NASA深空任務采用的信道編碼 未來空間任務對信道編碼的要求 深空信道編碼的應用場合深空遙測 不包含火星任務 火星探測 信息從探測器發(fā)送到近火星表面或者是地球地面站之間的遙測鏈路 火星和月球探測任務 鏈路設在從探測器發(fā)送到近火星表面和建在月球上的基礎通信設施 火星表面的應用 鏈路設在登陸者 漫游者和接近火星表面工作的機器人之間 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雜度 六 深空通信關鍵技術的發(fā)展趨勢 工作頻段提高到Ka深空通