深空通信現狀研究

吳海濤，梁迎春，陳英俊

（肇慶學院 電子信息與機電工程學院，廣東 肇慶 526061）

在深空探測任務中，通信系統肩負著傳輸指令信息、遙測遙控信息、跟蹤導航信息、姿態控制、軌道控制等信息和傳輸科學數據、圖像、文件、聲音等數據的任務，因此可以說，通信系統的正常運行是整個深空探測任務成功的重要保證.沒有通信的支持，深空探測就無法實現.

本文中，筆者首先給出了深空通信的基本概念和系統組成，分析了深空通信的基本任務和特點，總結了深空通信中的關鍵技術；然后，介紹了拉格朗日點在深空通信中的應用及行星際互聯網的體系結構，詳細分析了深空通信的網絡協議；最后給出了深空通信的發展趨勢與所面臨的挑戰.

1 深空通信概述

1.1 深空通信的概念

參照國際電聯（ITU）的規定，以宇宙飛行體為對象的無線電通信稱為宇宙通信.它有3種形式：一是地球站與宇宙站之間的通信；二是宇宙站間的通信；三是通過宇宙站轉發或反射進行的地球站間的通信，即所謂的衛星通信.宇宙通信有時也稱為空間通信，可分為近空通信與深空通信.近空通信是指地球上的實體與地球衛星軌道上的飛行器之間的通信.這些飛行器的軌道高度為數百至數萬公里，如各種應用衛星，載人飛船和航天飛機等.深空通信通常指地球上的實體與離開地球衛星軌道進入太陽系的飛行器之間的通信，通信距離達幾十萬、幾億至幾十億公里.

1.2 深空通信系統組成

一個典型的深空通信系統組成如圖1所示.在空間段，該系統包括飛行數據分系統、指令分系統、調制解調分系統、射頻分系統和天線等；在地面段，該系統則包括任務的計算和控制中心、到達深空通信站的傳輸線路（地面的和衛星通信）、測控設備、深空通信收發設備和天線[1].

1.3 深空通信的基本任務

深空通信要執行的基本任務及基本功能有3個：指令、跟蹤和遙測.前兩者負責從地球對航天器的引導和控制，后者傳輸通過航天器探測宇宙所獲得的信息.

指令分系統將地面的控制信息發送到航天器，令其在規定時間內按規定的參數執行規定動作，如改變飛行路線等.在指令鏈路中傳送低容量的低速率數據，但傳輸質量要求極高，以保證到達航天器的指令準確無誤.

跟蹤分系統獲取有關航天器的位置和速度、無線電傳播媒質以及太陽系特性的信息，使地面能監視航天器的飛行軌跡并對其導航，同時提供射頻載波和附加的參考信號，以支持遙測和指令功能.

遙測分系統接收從航天器發回地球的信息，包括科學數據、工程數據和圖像數據.科學數據載有從航天器上儀器所獲取的有關探測對象的信息，這些數據容量中等但極有價值，要求準確傳送.工程數據報告航天器上儀器、儀表和系統狀態的信息，容量甚低，僅要求中等質量的傳送.圖像數據的容量大，因信息冗余量較大，故僅要求中等質量的傳輸.

圖1 典型的深空通信系統組成

1.4 深空通信的特點[2]

深空通信具有如下特點：1）傳輸距離非常遙遠，傳輸時延巨大；2）接收信號信噪比極低；3）傳輸時延不斷變化，鏈路連接具有間歇性；4）前向和反向的鏈路速率不對稱；5）對誤碼率的要求高；6）各通信節點的處理能力不同，一般航天器的存儲容量及處理能力都非常有限；7）功率、重量、尺寸和造價等因素都對通信設備硬件和協議的設計起限制作用.

2 深空通信中的關鍵技術

2.1 天線組陣技術

為了解決深空通信中信號極大衰減的問題，早期的深空探測采用了加大接收、發射天線口徑和增加發射功率等手段.組陣天線有2個顯著優點：一是可以只使用一部分天線（即組陣天線總面積中的一部分面積）支持指定的航天器，剩下的天線面積可跟蹤其他航天器；二是具有“軟失效”特點，當單個天線發生故障時天線陣性能減弱，但并不失效.天線組陣技術是實現天線高增益的有效手段，其性能良好且易于維護，成本較低并具有很高的靈活性和良好的應用前景.

2.2 調制技術

調制是為了使發送信號特性與信道特性相匹配.為了有效利用功率資源，飛行器通常采用非線性高功率放大器（HPA），放大器一般工作在飽和點，這使得深空信道具有非線性.在深空通信中應采用具有恒包絡或準恒包絡的調制方式，以便使調制后信號波形的瞬時幅度波動盡量小，從而減小非線性的影響.有關研究結果表明：使用非線性功率放大器和準恒定包絡調制所得到的性能增益，要高于使用線性功率放大器和非恒定包絡調制信號的增益.針對深空通信的特點，CCSDS（空間數據系統咨詢委員會）給出了可用于深空環境的恒包絡或準恒包絡調制方式，主要有GMSK，FQPSK和SOQPSK.空間數據系統傳輸碼速率提高，空間頻率資源日益緊張，通信距離日益增大且帶寬增加，因而對傳輸性能的要求越來越高.新的調制體制成為當前研究的熱點，其研究目標為壓縮頻帶寬度降低帶外功率，減少碼間干擾，保持信號包絡恒定等.

2.3 信道編碼技術

在深空通信中，由于通信距離的大幅增大，通信信號從深空探測器傳回地面時衰減很大，地面系統很難對這種極為微弱的信號進行處理.糾錯編碼是一種有效提高功率、利用效率的方法.如果通過編碼技術每提高1 dB的增益，在發送和接收設備上就能節省約100萬美元[3].在目前發射的所有深空探測器中，都無一例外地采用了有效的糾錯編碼方案.

在深空通信的信道編碼技術中，典型方案是以卷積碼作為內碼，以里德－所羅門（RS）碼作為外碼的級聯碼.隨著科學技術的不斷發展，對長碼的譯碼得以實現.在今后的航天器上采用具有優異性能的Turbo碼和LDPC碼等長碼進行信道編碼是深空通信發展的必然.近年來，出現了一些面向深空通信的噴泉編碼技術.級聯LT碼和LDPC碼噴泉編碼方案，在深空通信信道中就具有良好的編譯碼性能和較低的譯碼復雜度[4－5].

2.4 信源壓縮技術

受信道速率的限制，探測器一般無法將探測數據實時傳回地球.探測器經過探測目標時，一般采用高速取樣并存儲，等離開目標后，再慢速傳回地球.傳輸的速率越慢，整個數據發送回地球需要的時間就越長，從而限制了數據、圖像的采集和存儲，甚至被丟棄.深空探測過程中的數據、圖像非常珍貴，而探測器上存儲器的容量受限，因此采樣存儲的方法并沒有從根本上解決問題.采用高效的信源壓縮技術,可以減少需要傳輸的數據量，則在相同的傳輸能力下，能夠將更多的數據傳回地球，緩解數據通信的壓力.

3 深空通信網與網絡協議

3.1 拉格朗日點的應用

1772年，法國數學家Lagrange在研究重力問題中分析三體問題，得出太陽與地球系統和地球與月球系統中各存在5個拉格朗日平衡點L1～L5的結論.拉格朗日點上的物體受萬有引力和軌道運動的共同作用而處于平衡狀態，如圖2的地月系統所示，在L1～L5點上的航天器只要達到一定速度就能克服地月引力和轉動坐標系的影響，既不會脫離地月系統，也不會被地球、月球捕獲；而且，只要微小的推力，航天器可以圍繞L1，L2及L3封閉的“暈”(halo)軌道上運行.若提供的速度增量較小，航天器就可以在弱穩定區域內巡回移動；如果提供的速度增量較高，航天器就可以飛出弱穩定區，脫離地月系統進入深空或太陽系的其他行星.

圖2 地月系統中的拉格朗日平衡點

拉格朗日軌道的獨特性使它們成為放置深空探測器的最佳場所，可以通過在這些節點上放置中繼衛星構建IPN（InterPlaNetary Internet）骨干網.例如：太陽和日風層探測器（Solar and Heliospheric Observatory，縮寫為SOHO）是歐洲航天局ESA及美國國家航空航天局NASA共同研制的無人太空船，于1995年12月發射升空.在L1拉格朗日點上公轉，其公轉周期與地球相同，可全天候觀測太陽.中國計劃于2012年發射的“夸父追日”計劃由3顆衛星組成：其中1顆就設在距地球1.5 Gm的日地連線第一拉格朗日點L1上，用來全天候監測太陽活動的發生及其伴生現象；另外2顆衛星在地球極軌大橢圓軌道上飛行，用來監測太陽活動導致的地球近地空間環境的變化.不久的將來，拉格朗日點不僅可以作為IPN骨干網的信息中繼節點，還可以建立大型空間資源中轉站乃至進行火星移民，具有非常重要的戰略意義.

3.2 行星際互聯網

為了有效實現地球和宇宙行星之間的信息傳輸，美國提出了行星際互聯網的概念.IPN是一種空間網絡及分布式通信技術的通用架構，包含IPN骨干網、IPN外部網及PN行星網絡等[6]，如圖3所示.

圖3 IPN的網絡架構

3.3 深空通信的網絡協議

IPN是一個典型的異構網絡，對于低時延和相對低噪聲的環境，可以直接采用空間IP協議，空間IP協議體系的優勢是技術成熟度高，能大大縮減航天成本，易于升級以滿足未來航天任務的需要.空間IP協議體系雖然可以基本滿足地面與近地軌道航天器間的信息傳輸，但TCP協議是基于端到端重傳的協議，需要假定傳輸延遲很小，與深空通信不符.

目前在深空通信中使用的數據傳輸協議主要是CCSDS建議[7].CCSDS針對空間環境特點，對地面標準TCP/IP協議進行相應改進，開發了一套涵蓋網絡層到應用層的空間通信協議規范(SCPS)，較全面地解決了空間信息傳輸問題.針對其特點，CCSDS協議也提出了相應的解決方法，如CCSDS文件傳輸協議CFDP.然而，SCPS并未提出具體路由算法；可靠傳輸依然采用先建立連接后傳送數據的模式；選擇重傳機制仍是基于端到端的重傳.CFDP協議僅限定于文件傳輸應用，解決方法不夠徹底，缺乏更完善的應用服務，從星際互聯角度考慮的體系結構不夠全面.文獻[8]通過引入噴泉編碼技術，對CCSDS文件傳輸協議進行改進，并提出了一種基于數據包交織的文件傳輸協議.該交織技術不僅能簡化傳輸協議，減少文件傳輸時延，還能增大系統的吞吐量并保證通信的有效性.

近年來，還產生了CCSDS協議體系與空間IP協議體系相結合的思想.在數據鏈路層仍然可以使用CCSDS建議；網絡層應用IP及其擴展技術；傳輸層和應用層選用商業標準協議或CCSDS協議.這種解決方案具有較為靈活的協議配置能力，但沒有從根本上消除空間IP協議體系和當前CCSDS協議體系在深空通信中的固有缺陷，協議堆棧的可適應感知能力較弱，仍面臨許多挑戰.

為解決深空環境下的可靠傳輸問題，JPL于2002年12月提交了一份支持容延遲網絡(DTN)的協議草案，命名為Licklider傳輸協議（LTP），以替代IP協議和TCP協議.

在深空通信體系結構中，以上3種協議體系并非單純的技術演進而是互依并存的.地面互聯網TCP/ IP的成熟技術和空間IP的應用驗證為CCSDS建議的改進提供了明確方向，CCSDS與IP相結合的協議體系，成為發揮TCP/IP的巨大優勢并能滿足空間通信要求的基本解決途徑.DTN協議體系結構可以通過整合前兩者分層協議和自身協議以解決深空環境異構異質條件下的可靠傳輸問題[9]，但DTN協議與前兩者相比具有明顯的區別：一是DTN不假定存在發送端與接收端的端到端路徑，包裹采用存儲轉發的方法進行傳遞；二是DTN引入了所謂的“包裹層(Bundle Layer)”作為連接不同受限網絡的覆蓋層，采用此覆蓋的節點依靠發送稱為“包裹”的異步消息進行通信.雖然DTN協議體系的思想可以使針對不同網絡的底層協議得到優化，但DTN的協議堆棧只是給出了一個框架，許多關鍵技術仍在開發中[10].

4 深空通信的發展趨勢與所面臨的挑戰

我國的深空探測經過40多年的發展，已經實現了載人航天和太空行走，積累了豐富的實踐經驗，取得了一系列重大成果.我國的月球探測三期工程計劃2017年前后向月球發射探測器，并實現無人月球采樣返回.此外，我國火星探測計劃的第1顆探測器“螢火1號”也將與俄羅斯“火衛1－土壤”探測器一起于2011年10月發射.由于我國相關研究起步比較晚，與發達國家相比還有一定差距，因此我們更應該瞄準當今國際深空探測通信技術的前沿，積極繼承和充分利用中國航天已有的技術積累，突破創新，大力發展具有自主知識產權的深空探測通信核心與關鍵技術.

深空通信與傳統地面通信存在巨大差別，其面臨的挑戰可概括如下：1）傳輸時延大而且時變；2）前向與反向鏈路容量不對稱；3）射頻通信信道鏈路誤碼率高；4）信息斷續、間歇可達；5）缺乏固定通信基礎設施；6）行星間的距離影響信號強度和協議設計；7）功率、質量、尺寸和成本制約影響通信硬件和協議設計；8）為節約成本的后向兼容性要求等.

[1] 張更新,謝智東,沈志強.深空通信的現狀與發展[J].數字通信世界,2010(4):82-86.

[2] 張乃通,李暉,張欽宇.深空探測通信技術發展趨勢及思考[J].宇航學報,2007,28(4):786-793.

[3] 周輝,鄭海昕,許定根.空間通信技術[M].北京:國防工業出版社,2010,31-52.

[4] 焦健,張欽宇,李安國.面向深空通信的噴泉編碼技術[J].宇航學報，2010,31（4），1 156-1 161.

[5] 林永照，吳成柯,劉薇.LT碼和q-LDPC碼級聯方案在深空通信中的應用[J].電子與信息學報,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,張欽宇,李安國.深空通信文件傳輸協議的交織技術研究[J].宇航學報,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] 葉建設,宋世杰,沈榮駿.深空通信DTN應用研究[J].宇航學報,2010,31(4):941-949.