深空通信现状研究

吴海涛，梁迎春，陈英俊

（肇庆学院 电子信息与机电工程学院，广东 肇庆 526061）

在深空探测任务中，通信系统肩负着传输指令信息、遥测遥控信息、跟踪导航信息、姿态控制、轨道控制等信息和传输科学数据、图像、文件、声音等数据的任务，因此可以说，通信系统的正常运行是整个深空探测任务成功的重要保证.没有通信的支持，深空探测就无法实现.

本文中，笔者首先给出了深空通信的基本概念和系统组成，分析了深空通信的基本任务和特点，总结了深空通信中的关键技术；然后，介绍了拉格朗日点在深空通信中的应用及行星际互联网的体系结构，详细分析了深空通信的网络协议；最后给出了深空通信的发展趋势与所面临的挑战.

1 深空通信概述

1.1 深空通信的概念

参照国际电联（ITU）的规定，以宇宙飞行体为对象的无线电通信称为宇宙通信.它有3种形式：一是地球站与宇宙站之间的通信；二是宇宙站间的通信；三是通过宇宙站转发或反射进行的地球站间的通信，即所谓的卫星通信.宇宙通信有时也称为空间通信，可分为近空通信与深空通信.近空通信是指地球上的实体与地球卫星轨道上的飞行器之间的通信.这些飞行器的轨道高度为数百至数万公里，如各种应用卫星，载人飞船和航天飞机等.深空通信通常指地球上的实体与离开地球卫星轨道进入太阳系的飞行器之间的通信，通信距离达几十万、几亿至几十亿公里.

1.2 深空通信系统组成

一个典型的深空通信系统组成如图1所示.在空间段，该系统包括飞行数据分系统、指令分系统、调制解调分系统、射频分系统和天线等；在地面段，该系统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[1].

1.3 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.

图1 典型的深空通信系统组成

1.4 深空通信的特点[2]

深空通信具有如下特点：1）传输距离非常遥远，传输时延巨大；2）接收信号信噪比极低；3）传输时延不断变化，链路连接具有间歇性；4）前向和反向的链路速率不对称；5）对误码率的要求高；6）各通信节点的处理能力不同，一般航天器的存储容量及处理能力都非常有限；7）功率、重量、尺寸和造价等因素都对通信设备硬件和协议的设计起限制作用.

2 深空通信中的关键技术

2.1 天线组阵技术

为了解决深空通信中信号极大衰减的问题，早期的深空探测采用了加大接收、发射天线口径和增加发射功率等手段.组阵天线有2个显著优点：一是可以只使用一部分天线（即组阵天线总面积中的一部分面积）支持指定的航天器，剩下的天线面积可跟踪其他航天器；二是具有“软失效”特点，当单个天线发生故障时天线阵性能减弱，但并不失效.天线组阵技术是实现天线高增益的有效手段，其性能良好且易于维护，成本较低并具有很高的灵活性和良好的应用前景.

2.2 调制技术

调制是为了使发送信号特性与信道特性相匹配.为了有效利用功率资源，飞行器通常采用非线性高功率放大器（HPA），放大器一般工作在饱和点，这使得深空信道具有非线性.在深空通信中应采用具有恒包络或准恒包络的调制方式，以便使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.有关研究结果表明：使用非线性功率放大器和准恒定包络调制所得到的性能增益，要高于使用线性功率放大器和非恒定包络调制信号的增益.针对深空通信的特点，CCSDS（空间数据系统咨询委员会）给出了可用于深空环境的恒包络或准恒包络调制方式，主要有GMSK，FQPSK和SOQPSK.空间数据系统传输码速率提高，空间频率资源日益紧张，通信距离日益增大且带宽增加，因而对传输性能的要求越来越高.新的调制体制成为当前研究的热点，其研究目标为压缩频带宽度降低带外功率，减少码间干扰，保持信号包络恒定等.

2.3 信道编码技术

在深空通信中，由于通信距离的大幅增大，通信信号从深空探测器传回地面时衰减很大，地面系统很难对这种极为微弱的信号进行处理.纠错编码是一种有效提高功率、利用效率的方法.如果通过编码技术每提高1 dB的增益，在发送和接收设备上就能节省约100万美元[3].在目前发射的所有深空探测器中，都无一例外地采用了有效的纠错编码方案.

在深空通信的信道编码技术中，典型方案是以卷积码作为内码，以里德－所罗门（RS）码作为外码的级联码.随着科学技术的不断发展，对长码的译码得以实现.在今后的航天器上采用具有优异性能的Turbo码和LDPC码等长码进行信道编码是深空通信发展的必然.近年来，出现了一些面向深空通信的喷泉编码技术.级联LT码和LDPC码喷泉编码方案，在深空通信信道中就具有良好的编译码性能和较低的译码复杂度[4－5].

2.4 信源压缩技术

受信道速率的限制，探测器一般无法将探测数据实时传回地球.探测器经过探测目标时，一般采用高速取样并存储，等离开目标后，再慢速传回地球.传输的速率越慢，整个数据发送回地球需要的时间就越长，从而限制了数据、图像的采集和存储，甚至被丢弃.深空探测过程中的数据、图像非常珍贵，而探测器上存储器的容量受限，因此采样存储的方法并没有从根本上解决问题.采用高效的信源压缩技术,可以减少需要传输的数据量，则在相同的传输能力下，能够将更多的数据传回地球，缓解数据通信的压力.

3 深空通信网与网络协议

3.1 拉格朗日点的应用

1772年，法国数学家Lagrange在研究重力问题中分析三体问题，得出太阳与地球系统和地球与月球系统中各存在5个拉格朗日平衡点L1～L5的结论.拉格朗日点上的物体受万有引力和轨道运动的共同作用而处于平衡状态，如图2的地月系统所示，在L1～L5点上的航天器只要达到一定速度就能克服地月引力和转动坐标系的影响，既不会脱离地月系统，也不会被地球、月球捕获；而且，只要微小的推力，航天器可以围绕L1，L2及L3封闭的“晕”(halo)轨道上运行.若提供的速度增量较小，航天器就可以在弱稳定区域内巡回移动；如果提供的速度增量较高，航天器就可以飞出弱稳定区，脱离地月系统进入深空或太阳系的其他行星.

图2 地月系统中的拉格朗日平衡点

拉格朗日轨道的独特性使它们成为放置深空探测器的最佳场所，可以通过在这些节点上放置中继卫星构建IPN（InterPlaNetary Internet）骨干网.例如：太阳和日风层探测器（Solar and Heliospheric Observatory，缩写为SOHO）是欧洲航天局ESA及美国国家航空航天局NASA共同研制的无人太空船，于1995年12月发射升空.在L1拉格朗日点上公转，其公转周期与地球相同，可全天候观测太阳.中国计划于2012年发射的“夸父追日”计划由3颗卫星组成：其中1颗就设在距地球1.5 Gm的日地连线第一拉格朗日点L1上，用来全天候监测太阳活动的发生及其伴生现象；另外2颗卫星在地球极轨大椭圆轨道上飞行，用来监测太阳活动导致的地球近地空间环境的变化.不久的将来，拉格朗日点不仅可以作为IPN骨干网的信息中继节点，还可以建立大型空间资源中转站乃至进行火星移民，具有非常重要的战略意义.

3.2 行星际互联网

为了有效实现地球和宇宙行星之间的信息传输，美国提出了行星际互联网的概念.IPN是一种空间网络及分布式通信技术的通用架构，包含IPN骨干网、IPN外部网及PN行星网络等[6]，如图3所示.

图3 IPN的网络架构

3.3 深空通信的网络协议

IPN是一个典型的异构网络，对于低时延和相对低噪声的环境，可以直接采用空间IP协议，空间IP协议体系的优势是技术成熟度高，能大大缩减航天成本，易于升级以满足未来航天任务的需要.空间IP协议体系虽然可以基本满足地面与近地轨道航天器间的信息传输，但TCP协议是基于端到端重传的协议，需要假定传输延迟很小，与深空通信不符.

目前在深空通信中使用的数据传输协议主要是CCSDS建议[7].CCSDS针对空间环境特点，对地面标准TCP/IP协议进行相应改进，开发了一套涵盖网络层到应用层的空间通信协议规范(SCPS)，较全面地解决了空间信息传输问题.针对其特点，CCSDS协议也提出了相应的解决方法，如CCSDS文件传输协议CFDP.然而，SCPS并未提出具体路由算法；可靠传输依然采用先建立连接后传送数据的模式；选择重传机制仍是基于端到端的重传.CFDP协议仅限定于文件传输应用，解决方法不够彻底，缺乏更完善的应用服务，从星际互联角度考虑的体系结构不够全面.文献[8]通过引入喷泉编码技术，对CCSDS文件传输协议进行改进，并提出了一种基于数据包交织的文件传输协议.该交织技术不仅能简化传输协议，减少文件传输时延，还能增大系统的吞吐量并保证通信的有效性.

近年来，还产生了CCSDS协议体系与空间IP协议体系相结合的思想.在数据链路层仍然可以使用CCSDS建议；网络层应用IP及其扩展技术；传输层和应用层选用商业标准协议或CCSDS协议.这种解决方案具有较为灵活的协议配置能力，但没有从根本上消除空间IP协议体系和当前CCSDS协议体系在深空通信中的固有缺陷，协议堆栈的可适应感知能力较弱，仍面临许多挑战.

为解决深空环境下的可靠传输问题，JPL于2002年12月提交了一份支持容延迟网络(DTN)的协议草案，命名为Licklider传输协议（LTP），以替代IP协议和TCP协议.

在深空通信体系结构中，以上3种协议体系并非单纯的技术演进而是互依并存的.地面互联网TCP/ IP的成熟技术和空间IP的应用验证为CCSDS建议的改进提供了明确方向，CCSDS与IP相结合的协议体系，成为发挥TCP/IP的巨大优势并能满足空间通信要求的基本解决途径.DTN协议体系结构可以通过整合前两者分层协议和自身协议以解决深空环境异构异质条件下的可靠传输问题[9]，但DTN协议与前两者相比具有明显的区别：一是DTN不假定存在发送端与接收端的端到端路径，包裹采用存储转发的方法进行传递；二是DTN引入了所谓的“包裹层(Bundle Layer)”作为连接不同受限网络的覆盖层，采用此覆盖的节点依靠发送称为“包裹”的异步消息进行通信.虽然DTN协议体系的思想可以使针对不同网络的底层协议得到优化，但DTN的协议堆栈只是给出了一个框架，许多关键技术仍在开发中[10].

4 深空通信的发展趋势与所面临的挑战

我国的深空探测经过40多年的发展，已经实现了载人航天和太空行走，积累了丰富的实践经验，取得了一系列重大成果.我国的月球探测三期工程计划2017年前后向月球发射探测器，并实现无人月球采样返回.此外，我国火星探测计划的第1颗探测器“萤火1号”也将与俄罗斯“火卫1－土壤”探测器一起于2011年10月发射.由于我国相关研究起步比较晚，与发达国家相比还有一定差距，因此我们更应该瞄准当今国际深空探测通信技术的前沿，积极继承和充分利用中国航天已有的技术积累，突破创新，大力发展具有自主知识产权的深空探测通信核心与关键技术.

深空通信与传统地面通信存在巨大差别，其面临的挑战可概括如下：1）传输时延大而且时变；2）前向与反向链路容量不对称；3）射频通信信道链路误码率高；4）信息断续、间歇可达；5）缺乏固定通信基础设施；6）行星间的距离影响信号强度和协议设计；7）功率、质量、尺寸和成本制约影响通信硬件和协议设计；8）为节约成本的后向兼容性要求等.

[1] 张更新,谢智东,沈志强.深空通信的现状与发展[J].数字通信世界,2010(4):82-86.

[2] 张乃通,李晖,张钦宇.深空探测通信技术发展趋势及思考[J].宇航学报,2007,28(4):786-793.

[3] 周辉,郑海昕,许定根.空间通信技术[M].北京:国防工业出版社,2010,31-52.

[4] 焦健,张钦宇,李安国.面向深空通信的喷泉编码技术[J].宇航学报，2010,31（4），1 156-1 161.

[5] 林永照，吴成柯,刘薇.LT码和q-LDPC码级联方案在深空通信中的应用[J].电子与信息学报,2010,32（8）,1 898-1 903.

[6] AKYILDIZ I F,AKAN O B,CHEN Chao,et al.The State of the Art in InterPlaNetary Internet[J].IEEE Communications Magazine,2004，42（7）：108-118.

[7] Consultative Committee for Space Data Systems.Space Communications Protocol Specification(SCPS)-Transport Protocol[S]. CCSDS 714.0-B-2.2006.

[8] 焦健,张钦宇,李安国.深空通信文件传输协议的交织技术研究[J].宇航学报,2010，31（11），2 584-2 590.

[9] SCOTT B,ADRIAN H,LEIGH T,et al.Delay-Tolerant Networking:An Approach to Interplanetary Internet[J].IEEE Communications Magazine,2003,41(6)：128-135.

[10] 叶建设,宋世杰,沈荣骏.深空通信DTN应用研究[J].宇航学报,2010,31(4):941-949.