
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。
19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(34m STD),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m站。70年代初,又在另外两处分别建了一个m站。80年代末,为了支持“旅行者2号”飞往海王星,m 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(34m HEF)。
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着通信设备硬件和协议的设计。
(5)传输频道的频带无严格。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,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(Very Long Baseline Interferometry)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,Delta Differential One-way Ranging)和双差单向测速(∆DOD,Delta Differential One-way Doppler)两种差分VLBI技术[14]。
NASA还开发出一种称为CEI(contiguous elements interferometer)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Hemilton Melburne 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、极长的传输距离使得其功率资源严重受限。因此深空通信数传信道可视为功率受限而带宽丰裕信道,是典型的以有效性换取可靠性的传输信道[8]。
在传统上,深空通信中广泛采用卷积码、R—S码、级联码,但也有很多机构和组织在研究Turbo码、LDPC、联合调制编码在深空通信中的应用。CCSDS已于1999年提出了深空探测Turbo码相关标准,但是Turbo码译码复杂度高,占用资源较大。
而国外专家提出的喷泉码,是一种非常适合深空通信的方案,因为它具有不需反馈信道、只需前向链路的特性,能够简化或省略通信协议中的握手过程,缩短文件传输的时延。另外,深空通信的距离遥远和误码率大的特点,使得传输中的误码超出传统前向纠错的能力,以及链路易中断的特点,都造成丢包率较大,而喷泉编码只要接收到的数据包个数N仅仅比原文件的K个数据包稍多一些,就能够恢复出整个文件,提高传输效率。
喷泉码分为随机线性喷泉编码、LT码和Raptor码三种类型。它可以看成是一种非规则的LDPC码,性能更加优越,能够有效降低接收系统对于信噪比的要求。其简单原理是每个分组都有全局的部分信息,当分组的数量达到一定程度,可以恢复出完整的文件,而分组长度无限[9]。
4.6数据压缩技术由于深空通信具有低速信道的特点,这要求对飞行器回传的数据进行压缩,从而减少传输量,缩短传输时间。而图像往往占有所传数据的较高比重,图像压缩技术将是数据压缩技术中的重点。但飞行器获得的原始图像一般较为珍贵,要求尽量保留图像细节和数据,故应尽量不采用有损压缩的方式。
目前深空通信所采用的图像压缩技术,主要是基于小波变换的静止图像压缩技术,有以下几种[10]:
(1)JPEG2000:JPEG2000放弃了JPEG以DCT变换为主的分块编码方式,采用小波变换为主(Wavelet Transform)的多分辨率编码,将图像的主要频率成分提取出来,重构图像能够克服图像的方块效应,因而获得平滑的图像效果。
(2)CCSDS小波变换图像压缩算法:2005年空间数据系统咨询委员会(CCSDS)也提出了基于小波变换的图像压缩标准。该算法具有2种基本结构,离散小波变换(DWT)和位平面编码器(BPE)。它的整个算法与JPEG2000相比,降低了复杂度,符合需要最小的地面操作条件,适应深空图像通信的要求。
(3)M-JPEG 2000:M--JPEG2000即运动静止图像压缩技术,可进行帧编辑和多层图像处理,把运动的视频序列图像作为连续的静止图像来处理。M-JPEG2000的图像压缩比不高,在信道速率提高的条件下,其在深空通信中具有一定的应用前景。
(4)各种小波变换图像压缩方法:JPE62000引入了Shaprio提出的嵌入式零树小波变换编码技术(EZW)之后,新的图像压缩技术又提出了基于小波变换改进的分级树中的集合算法(SPIHT),之后又作出了许多改进算法,其基本思想是如何对小波变换后的系数进行合理组织生成零树,然后利用人类视觉系统(HVS)有效地降低码率及增强图像解码后恢复图像的视觉效果、质量和提高峰值信噪比。
4.7行星际互联网(IPN)
深空通信低信噪比特点与断续通信的特点都使得点对点通信难以为继,为了满足未来深空探测和商业应用的要求,像在地面建立因特网那样在太空建立一个行星际互联网是一个可行的方案。它是将因特网的架构和技术应用到太空中,在太空建立空间因特网,通过多跳路由转发,使得任何空间任务能够高质量、低消耗的接入到空间因特网[11]。
IPN的实现主要技术可分为4块,分别为:
(1)IPN体系构架:NASA提出的空间因特网的通用构架包含以下元素:骨干网络、接入网络、飞行器间网络、临近网络。而Ian F.Akyildiz等人在2004年又提出了一种改进的构架:骨干网、外部网和行星网。其中行星网由行星卫星网和行星表面网组成。
(2)IPN通信协议:IPN是一种典型的异构网络,各个子网之间需要通信,应有不同的通信协议来适合它们内部的通信环境。他主要有两种协议栈:CCSDS空间、地面协议栈和时延容忍网络(DTN)协议栈。而前者又包括8层:空间无线频率和调制层、空间通道编码层、空间链路层、空间网络层、空间端到端安全层、空间端到端可靠层、空间文件传递层和空间应用层[12]。
(3)IPN路由算法:地面Internet路由算法都是基于实时状态寻址的,而IPN基于DTN 。DTN并不强求在所有的DTN网关使用相同的路由选择协议实现域间的选路,但DTN网关所使用的路由协议必须对未来可能出现的路由有预见性。它尚未开发出具体的路由算法,但基本思路是以下一跳DTN网关的状态信息为基础,综合利用域内网络的路由算法、信息携带的辅助信息、轨道预报信息等[13]。
(4)时间同步:空间设备执行任务时,必须要有统一的时间标准才能协调和通信。当前IPN使用的时间同步技术都是对现有的NTP协议修改而来的。但这由于各种因素会产生误差。
4.8激光通信技术
目前深空探测数据传输采用微波通信方式,其通信速率极低,而用激光进行深空探测科学数据的回传,具有微波链路所没有的许多优势。激光通信终端与射频通信终端相比,具有较小的体积和质量,同时其功耗也比较小,这有利于降低发射探测器的成本,同时给探测器其他系统的设计提供更大的灵活性;第二,激光通信系统抗干扰和保密性显著提高,别国很难对其进行干扰和人为窃听。第三,深空激光通信链路的数据率比较高,这也是它一个巨大的优势[16]。
目前国外深空光通信系统代表主要有JPL、APL、MLCD、LLCD深空激光通信系统。
JPL是根据NASA的行星探测计划对深空光通信系统进行了一系列的研究,并根据木卫二的轨道参数建立一套深空光通信系统的工程模型,该模型主要包括跟瞄子系统和通信子系统。系统采用直径为30cm。衍射受限的SiC望远镜作为发射天线,设计的数据率白天情况下为60kbps,晚间情况下为200kbps。整个系统设计的质量为23kg,消耗的功率为50w。
而为了响应NASA深空高数据率的通信要求,约翰.霍普金斯大学(JHU)应用物理实验室(APL)对数据率更高,质量更轻,体积更小的光通信终端进行了概念研究。并提出自己的跟瞄机制和接收机制。
MLCD(Mars Laser Communications Demonstration System)是NASA开展的火星激光通信演示系统。该深空激光通信系统采用卫星发射、地面终端接收方案,地面接收位于海拔l 7km的Palomar山上,它将在400万公里的超长链路距离条件下实现l-10Mbps通信速率。
LLCD(The Lunar Laser Communications Demonstration)是由麻省理工大学林肯实验室和NASA戈达德空间飞行中心着手研制的月球激光通信系统。按设计其下行链路数据传输可达620Mbps,上行链路数据传输可达20Mbps。
不过目前激光通信技术距离工程实际尚有一定距离,其面临着不少技术难题,它们主要集中在以下几个方面:
(1)高概率、快速捕获和动态、高精度跟踪技术;(2)强背景光条件下微弱信号探测技术;
(3)阵列望远镜技术;(4)高功率高重频激光器技术;(5)深空通信的调制、编码和数据压缩技术;(6)大气信道自适应光学技术[15]。
4.9量子通信技术
量子通信是以量子纠缠技术作为基础,通过量子纠缠所产生的连锁效应来实现信息传递的一种新型的通信方式。
所谓量子纠缠,是指发生在多个微观粒子之间的一种物理现象,是指不论粒子间距离多远,一个粒子的态都是与其他粒子的态相关联,信息大部分都蕴涵在粒子之间的相互关系上,对一个粒子的测量会影响到其他粒子的态。从数学角度来说,当一个量子比特序列无法用各量子比特的张量乘积表示的话,这个量子态就称为纠缠态[19]。
量子通信的信息单位称为量子比特(qubit),它是两种逻辑态的叠加。在量子通信中,我们用量子态来表示信息,信息传递和信息处理中遇到的问题都采用量子理论来处理,其中,信息的传输是利用量子态在量子通道中的传送,信息的处理和计算是利用量子态的幺正变换,信息的提取是对量子系统进行测量[18]。而对于深空通信而言,其主要表现为量子传态。
然而,尽管量子纠缠理论上是超距作用的,利用量子纠缠和量子传态进行量子通信也不能突破经典通信系统在通信速率、通信距离、抗干扰性能等方面的极限,更不可能基于量子传态实现超光速通信,因为量子通信所依赖的和不可或缺的同步时钟与辅助信息交互等都是经典通信手段[20]。以量子传态技术为例,实际上,在接收方进行相关测量和相关信息交互之前,其状态信息无法复原;而只有在通信双方进行必要的量子测量和相关测量信息交互之后,才可能实现传态。这样一来,超光速就不可能实现。
5结束语
深空探测是人类了解宇宙,了解自己的必要手段,也是人类走向未来的必经之路。而深空通信则是其不可或缺的重要保障。
但就目前来看,人类的探测范围不可能超出太阳系,在未来数十年内也的活动也必然是行星际的。而对应的,经典通信方式将是主要的通信方式,深空通信的关键技术也将集中于上述的前八点。而且,从技术上讲,数十年内实现以上技术也是可行的。这一时期的最终目标,也应当是行星际互联网的建立和完备。这样一来,人类在太阳系内的活动,便可在通信上得到可靠的保障,尽管仍旧需要忍受大时延的问题。
而长远来看,从行星际探测扩展到恒星际,量子通信技术则是必须的,而且应当是不借助辅助经典通信的纯量子通信,这样才有实际的意义。但这一点目前理论上尚未突破,此外,恒星际探测的动力技术也尚无实践,这一点,对于人类还仍重道远。
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