移動技術(shù)-深空通信技術(shù)

深空通信技術(shù)報(bào)告人：XXX目錄深空通信概述深空網(wǎng)絡(luò)簡介深空通信技術(shù)特點(diǎn)系統(tǒng)組成及工作原理主要技術(shù)簡介展望2023/2/2深空通信技術(shù)2深空通信概述——概念何為深空：1988年世界無線電管理大會標(biāo)準(zhǔn)：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(yuǎn)的外層空間；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。深空通信技術(shù)32023/2/2深空通信概述——概念近空通信：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)入太陽系的航天器之間的通信，通信距離達(dá)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。深空通信技術(shù)42023/2/2深空通信概述——人類探索太空歷史1957年10月4日，前蘇聯(lián)采用改裝的P－7洲際導(dǎo)彈把世界上第一顆人造地球衛(wèi)星送入太空。1958年美國成功發(fā)射人造衛(wèi)星“探險(xiǎn)者一號”(ExplorerI),“探險(xiǎn)者一號”的成功發(fā)射標(biāo)志著美國也進(jìn)入了太空時(shí)代。1961年4月12日，前蘇聯(lián)首先將載有世界上第一名宇航員尤里·加加林的“東方1號”宇宙飛船送入離地面181～327千米的空間軌道。1962年11月1日，前蘇聯(lián)發(fā)射火星1號探測器，在飛離地球1億公里時(shí)與地面失去聯(lián)系。1964年11月28日，美國水手4號發(fā)射升空，于1965年7月14日在火星表面9800千米上空掠過火星，向地球發(fā)回了21張照片。深空通信技術(shù)52023/2/2深空通信概述——人類探索太空歷史1969年7月20日，“阿波羅Ⅱ號”登月艙在月球“靜?！眳^(qū)安全著陸，美國宇航員N·A·阿姆斯特朗和E·E·奧爾德林登上月球。1971年12月2日，前蘇聯(lián)火星3號成功登陸火星，成為了有史以來第一個(gè)成功在火星表面著陸的探測器。1972年3月2日美國發(fā)射了無人探測器—先驅(qū)者10號，它成為第一個(gè)穿過小行星帶的宇宙飛船。1997年7月4日：探路者號于1996年12月4日的無人探測計(jì)劃順利降落在火星，此后10年間，美國成功發(fā)射多個(gè)火星探測器。好奇號火星車于2013年發(fā)現(xiàn)火星上有水的存在。深空通信技術(shù)62023/2/2深空通信概述——人類探索太空歷史1970年4月24日，中國第一顆人造地球衛(wèi)星在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，成為繼蘇，美，法，日之后第五個(gè)用自制火箭自主發(fā)射衛(wèi)星的國家。2013年12月14日，我國發(fā)射的嫦娥三號成功著陸月球。目前，我國已經(jīng)在上海，北京，昆明和烏魯木齊建設(shè)成了四個(gè)深空站。深空通信技術(shù)72023/2/2深空通信概述——人類探索太空歷史自第一顆人造衛(wèi)星成功發(fā)射后，在短短不到半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間里，人類對太空的探索已取得了飛速發(fā)展。從人造衛(wèi)星的應(yīng)用到星際探索，從月球探險(xiǎn)到火星、土星勘探計(jì)劃再到彗星“深度撞擊”。而在太空探索的整個(gè)過程中，地面與探測器的通信技術(shù)也在不斷地進(jìn)步和發(fā)展。深空通信技術(shù)82023/2/2深空網(wǎng)絡(luò)簡介深空網(wǎng)絡(luò)（DeepSpaceNetwork，DSN）是美國國家航空航天局（NASA）的支援星際任務(wù)、無線電通信以及利用射電天文學(xué)觀察探測太陽系和宇宙的一個(gè)國際天線網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)同樣也支持某些特定的地球軌道任務(wù)。它是地球上最大也是最敏感的科學(xué)研究用途的通信系統(tǒng)。深空網(wǎng)絡(luò)是美國國家航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的一部分。同時(shí)深空網(wǎng)絡(luò)也擔(dān)負(fù)了部分近地軌道任務(wù)的保護(hù)工作。深空通信技術(shù)92023/2/2深空網(wǎng)絡(luò)簡介目前深空網(wǎng)絡(luò)由三處呈120度分布的深空通信設(shè)施構(gòu)成，一處在美國加州的戈?duì)柕滤雇?，處于巴斯托市附近的莫哈維沙漠之中；一處位于西班牙馬德里附近；另一處位于澳大利亞的堪培拉附近。這種安排使得可以連續(xù)觀察地球的自轉(zhuǎn)的過程。深空通信技術(shù)102023/2/2深空網(wǎng)絡(luò)簡介——

歷史20世紀(jì)中期，當(dāng)時(shí)還是美國陸軍旗下的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）首先進(jìn)入了空間通信領(lǐng)域，并進(jìn)行研究工作。當(dāng)時(shí)JPL的Microlock地面站系統(tǒng)由1.524m（即5英尺）長的螺旋天線組成，負(fù)責(zé)美國陸軍通信任務(wù)。JPL在1958年1月就與美國軍方的合同建立了深空網(wǎng)絡(luò)的雛形。當(dāng)時(shí)在尼日利亞、新加坡以及加州部署了輕型的無線電追蹤設(shè)備來接收遙感勘測信號以及描繪當(dāng)時(shí)軍方發(fā)射的探測者1號（第一顆發(fā)射成功的美國衛(wèi)星）的軌道。國家航空航天局于1958年10月1日正式成立，來將當(dāng)時(shí)由美國海陸空三軍分散發(fā)展的各種太空探索計(jì)劃整合入單一的一個(gè)民間組織。深空通信技術(shù)112023/2/2深空網(wǎng)絡(luò)簡介——?dú)v史在1958年12月3日，噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室從美國軍方轉(zhuǎn)入國家航空航天局并且被要求執(zhí)行使用可自動操作的太空船的月球和星際探索計(jì)劃的設(shè)計(jì)和實(shí)施。不久之后，國家航空航天局就提出了深空網(wǎng)絡(luò)的概念，建立一個(gè)單獨(dú)管理和運(yùn)作的無線通信設(shè)施來服務(wù)所有的深空任務(wù)，而不是針對每一個(gè)太空任務(wù)來開發(fā)專門的空間通信網(wǎng)絡(luò)。針對所有的用戶，深空網(wǎng)絡(luò)有責(zé)任來進(jìn)行獨(dú)立的研究，開發(fā)和支持工作。在這樣的概念支持下，深空網(wǎng)絡(luò)成為世界上在低噪接收器、追蹤、遙感及指令系統(tǒng)、數(shù)字信號處理以及深空導(dǎo)航領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。深空通信技術(shù)122023/2/2深空通信技術(shù)特點(diǎn)通信距離及其遙遠(yuǎn)鏈路損耗大信號時(shí)延長工作頻率高，頻帶寬非對稱的信道帶寬信道為AWGN（

AdditiveWhiteGaussianNoise）模型系統(tǒng)對可靠性要求極高全天候工作能力深空通信技術(shù)132023/2/2深空通信技術(shù)特點(diǎn)深空通信技術(shù)142023/2/2表1太陽系各行星至地球和太陽的距離和時(shí)延深空通信技術(shù)系統(tǒng)組成深空通信技術(shù)包括空間段和地面段空間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)（含遙測信息及航天器探測宇宙目標(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)和天線等地面段地面段包括任務(wù)的計(jì)算和控制中心、測控設(shè)備、深空通信收發(fā)設(shè)備和天線等深空通信技術(shù)152023/2/2深空通信技術(shù)系統(tǒng)組成深空通信技術(shù)162023/2/2圖1深空通信系統(tǒng)的組成S波段2~4GHz；X波段8~12GHz；Ka波段27~40GHz；深空通信技術(shù)系統(tǒng)組成深空通信跟蹤遙測指令深空通信技術(shù)172023/2/2深空通信技術(shù)系統(tǒng)組成跟蹤分系統(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(dǎo)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。深空通信技術(shù)182023/2/2深空通信技術(shù)系統(tǒng)組成深空通信技術(shù)192023/2/2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2地面跟蹤分系統(tǒng)框圖深空通信技術(shù)系統(tǒng)組成遙測分系統(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)?？茖W(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。深空通信技術(shù)202023/2/2深空通信技術(shù)系統(tǒng)組成深空通信技術(shù)212023/2/2遙測發(fā)射機(jī)在航天器上，首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，然后對一個(gè)方波副載波進(jìn)行相位調(diào)制（PSK），最后對一個(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。圖4深空通信遙測分系統(tǒng)框圖深空通信技術(shù)系統(tǒng)組成指令分系統(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(dá)航天器的指令準(zhǔn)確無誤。深空通信技術(shù)222023/2/2深空通信技術(shù)系統(tǒng)組成深空通信技術(shù)232023/2/2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(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(shí)現(xiàn)多任務(wù)指令分發(fā)和計(jì)算功能。多任務(wù)指令分系統(tǒng)上行鏈路組成框圖深空通信的跟蹤技術(shù)深空通信技術(shù)242023/2/2跟蹤類型單向跟蹤雙向跟蹤三向跟蹤深空通信的跟蹤技術(shù)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；深空通信技術(shù)252023/2/2深空通信的跟蹤技術(shù)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。深空通信技術(shù)262023/2/2深空通信的跟蹤技術(shù)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。深空通信技術(shù)272023/2/2深空通信的測量技術(shù)在深空通信中，航天器的距離測量是通過測量某個(gè)深空站產(chǎn)生的測距信號的往返傳輸時(shí)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(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。利用參考信號對測距信號進(jìn)行解調(diào)。傳統(tǒng)多普勒和距離測軌具有局限性，促進(jìn)了甚長基線干涉（VLBI）測量技術(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，由于信號非常微弱，需要使用大口徑天線、低噪聲接收機(jī)和寬帶記錄裝置。深空通信技術(shù)282023/2/2深空通信的調(diào)制技術(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技術(shù)292023/2/2深空通信的調(diào)制技術(shù)恒包絡(luò)調(diào)制：BPSK、QPSK、OQPSK、差分編碼QPSK、π/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)制方式深空通信技術(shù)302023/2/2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(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)致傳輸速率很低深空通信技術(shù)312023/2/2深空通信的信道編譯碼技術(shù)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(fù)雜度，從而減輕探測器的負(fù)荷，可考慮幀長度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)深空通信技術(shù)322023/2/2深空通信的信道編譯碼技術(shù)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(jié)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）。深空通信技術(shù)332023/2/2深空通信的信道編譯碼技術(shù)深空通信技術(shù)342023/2/2信道編碼深空任務(wù)時(shí)間未編碼“探險(xiǎn)者”號，“水手”號1958－現(xiàn)在（25，12）卷積碼“先驅(qū)者”號，“金星”號1968－1978（32，6）Reed-Muller碼“水手”號，“海盜”號1969－1975Golay碼“旅行者”號1977－現(xiàn)在RS（255，223）+（7，1/2）“旅行者”號，“伽利略”號1977－現(xiàn)在RS（255，223）+（7，1/3）“旅行者”號1977－現(xiàn)在RS（255，var）+（14，1/4）“伽利略”號1989－2003RS＋（15，1/6）“卡西尼”號，“火星探路者”號1996－現(xiàn)在Turbo“信使”號，“日地關(guān)系觀測衛(wèi)星”號，“火星偵察軌道器”號2004－現(xiàn)在LDPC“星群”號，“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”號近期NASA深空任務(wù)采用的信道編碼深空通信——未來空間任務(wù)對信道編碼的要求深空信道編碼的應(yīng)用場合深空遙測（不包含火星任務(wù)）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(wù)（鏈路設(shè)在從探測器發(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)雜度深空通信技術(shù)352023/2/2展望——NASA未來的空間通信與導(dǎo)航體系4個(gè)物理單元：地基地球單元，近