通信新技術(shù)解決深空通信問題研究

高麗娟，蔣太杰

（裝備學院 北 京101416）

隨著深空探測技術(shù)的不斷發(fā)展，世界各國都在積極地開展深空探測活動。研究深空探測主要目的是通過發(fā)展空間技術(shù)、探索太陽系和宇宙的起源和演化從而更好的利用空間資源、擴大人類生存的空間。在這些深空探測活動中，深空通信系統(tǒng)是探測器與地面聯(lián)系的唯一紐帶，是保障深空探測任務(wù)順利完成的關(guān)鍵[1]。

深空通信隨著探測距離的不斷增加，自身固有的一些特點會帶來一系列的問題。距離越遠面臨的問題越突出[2]，主要有：1）路徑損失大大增加，如探測冥王星時信號的路徑損失相對于地球靜止軌道衛(wèi)星增加了106.416 dB。2）巨大的傳輸時延，如冥王星到地球的單程時延為418.617 min。3）時斷時續(xù)的通信，由于地球和行星的自轉(zhuǎn)會影響通信接觸時間，導致時斷時續(xù)通信的問題。此外，深空通信還存在很多問題，如發(fā)射功率浪費巨大、高精度導航定位問題、高效編譯碼技術(shù)等等[3]，由于篇幅有限主要分析通信新技術(shù)對前3個問題的解決。

1 通信新技術(shù)解決路徑損失問題的研究

路徑損失增加意味著接收機接收到的信號功率減少，信號接收功率的計算公式可以表示為：

其中，PR表示接收機收到的信號功率；PT表示發(fā)射功率；GT是發(fā)射天線增益；GR是接收天線增益；Ls表示路徑損失，∑Li表示除路徑損失外的各種損耗之和。

路徑損失增加即Ls增加，要彌補增加的路徑損失可以通過增加發(fā)射功率、增加天線增益來實現(xiàn)。天線增益的計算公式可以表示為：

其中，G為天線增益；η為天線效率；f表示載波頻率；D表示天線口徑。要增加天線增益可以通過增加載波頻率和天線口徑來實現(xiàn)。

因此，目前彌補路徑損失的措施主要有：提高載波頻率、增加地面站的天線口徑、增加航天器上的天線口徑、增加航天器射頻功率、降低地面接收系統(tǒng)噪聲溫度、采用信道編譯碼技術(shù)、采用信源壓縮技術(shù)等，但是這些措施受到技術(shù)水平、設(shè)備工藝、有效載荷等方面的局限，獲得的增益有限[3]。隨著深空探測距離的不斷變遠，所需要彌補的路徑損失越大，需要采用新的通信技術(shù)獲得更大的增益，從而更有效的彌補路徑損失。為了彌補路徑損失可以采用的新技術(shù)包括：激光通信技術(shù)和天線組陣技術(shù)。

1.1 激光通信技術(shù)解決路徑損失問題

通過提高載波頻率可以增加接收機接收到的信號功率從而彌補遠距離產(chǎn)生的路徑損失。但是提高射頻信號的載波頻率受到很多條件的限制，如隨著載波頻率的增加天線的加工、安裝和調(diào)整難度隨之而加大，而且降雨損耗和大氣吸收損耗隨頻率升高而增加。當射頻信號的頻率增加受限時，可以采用激光通信從另外的角度來提高載波頻率。激光通信是未來空間通信的發(fā)展趨勢，是以激光為載體，在深空航天器與地面站之間或深空航天器與地球軌道航天器間進行信息傳輸?shù)募夹g(shù)[4]。用于通信的激光波長范圍為532～1 550 nm，對應(yīng)的頻率范圍為 1．9×1014～5．6×1014Hz。Ka 波段為 2．7 ×1010～4×1010Hz，因此，激光的頻率比射頻信號高4～5個數(shù)量級。

比較射頻通信與光通信技術(shù)，單從波束質(zhì)量考慮，口徑0．1 m的光學天線對應(yīng)的光波能量密度是口徑3．7mX波段天線對應(yīng)能量密度的106倍，二者載波頻率平方之比約為90 dB，考慮其他各種因素的影響，激光通信將會比X波段射頻通信提高約60 dB的增益。

深空激光通信系統(tǒng)設(shè)計依賴于具體的任務(wù)要求（速率、誤碼率等）、鏈路特性（距離、相對運動速度等）、外界約束條件（背景光、振動、大氣信道等）和當前技術(shù)的支撐能力。隨著空間光通信PPM[5]、APT[6]等關(guān)鍵技術(shù)研究的不斷深入，激光通信的應(yīng)用成為可能。目前研究的激光通信系統(tǒng)，從系統(tǒng)功能的角度出發(fā)，主要包括：APT子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)和接口子系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 激光通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig．1 Structure diagram of optical communication system

深空通信采用激光通信技術(shù)要比目前的射頻通信技術(shù)更有優(yōu)勢，主要有以下幾個方面：

1)通信組件體積和質(zhì)量更小。深空探測器的有效載荷有限，采用激光通信，通信設(shè)備具有體積小、重量輕的特點，小型化的激光通信設(shè)備給探測器其他系統(tǒng)的設(shè)計提供更大的靈活性。

2)信息容量大，數(shù)據(jù)傳輸速率高。利用激光脈沖作為載波，信息容量大，可用頻帶極寬，傳輸數(shù)據(jù)碼率可達10 Gbps，甚至更高。在相同功耗的情況下，激光通信的數(shù)據(jù)傳輸率更高。

3)激光通信功耗小。激光通信技術(shù)使設(shè)備的發(fā)射功率大大降低，從而降低了對深空探測器供電系統(tǒng)的要求。

4)傳輸距離遠，方向性強。激光通信發(fā)射信號的能量能夠集中在很窄的光束范圍內(nèi)，方向性好，從而將信號傳送至更遠的距離。

5)抗干擾能力強。激光波束不會像射頻信號一樣受到復雜電磁環(huán)境的干擾，同時航天器之間利用激光通信時其他干擾也比較小，這樣可以保證可靠地通信。

6)保密性比較高。激光發(fā)射波束纖細，不易被截獲，而且激光窄脈沖定向性非常好，從而使得通信的保密性大大增強。

深空光通信可以采用地基和天基終端鏈路2種基本方案。其中，地基方案采用多個10 m望遠鏡接收深空信號，全球覆蓋，支持多個航天器和氣候多樣性。地基方案包括兩種：一種方法是沿著地球一周等間距布設(shè)多個光學望遠鏡，稱為“線性分散光學子網(wǎng)”；另一種方法在全球設(shè)置3個站，每個站上布設(shè)3個光學望遠鏡，稱為“集群配置光學子網(wǎng)”。天基方案是在中軌或高軌放置口徑7 m的光學終端，避免了大氣損耗等有害影響，可以轉(zhuǎn)為采用受衍射限制的相干檢測方式，但天基方案的成本較高，且只能在給定時間支持一個航天器任務(wù)。

但是在深空任務(wù)中采用激光通信還會遇到一些新的挑戰(zhàn)，比如深空通信的鏈路距離更長，深空任務(wù)的發(fā)射成本更高，任務(wù)壽命期更長，深空任務(wù)對飛行終端的質(zhì)量和功率要求十分苛刻，同時對可靠性有更高的要求。目前空間光通信的研究現(xiàn)狀而言，衛(wèi)星光通信已達到工程應(yīng)用水平，但在深空光通信領(lǐng)域，還處在關(guān)鍵技術(shù)研究和工程演示驗證階段，離工程應(yīng)用還有較遠的距離。

1.2 天線組陣技術(shù)解決路徑損失問題

通過增加天線口徑可以彌補路徑損失，但是天線口徑的增大也是有限的，目前單副天線的最大口徑為70米。隨著天線口徑的加大，熱變形、陣風變形和重力下垂變形會加劇，從而導致天線效率下降。對于天線技術(shù)的研究也越來越關(guān)注[7]，當增大單副天線口徑受限時，可以采用天線組陣技術(shù)，它能夠得到更大的等效天線口徑，能夠獲得更高的數(shù)據(jù)接收速率，從而彌補巨大的路徑損失。

天線組陣技術(shù)就是利用分布在不同地點的多個天線組成天線陣列[8]，接收來自同一信源的信號，利用信號的相干性和噪聲的不相關(guān)性，將各個天線接收的信號進行加權(quán)合成，從而獲得所需的高信噪比接收信號。

天線組陣的優(yōu)勢包括以下幾個方面：

1)更大的波束靈活性。天線組陣中的天線波束具有靈活的移動性，波束可以對準任意方向，相比于機械操作反射鏡天線具有更大的靈活性。

2)較高的可靠性。天線組陣由很多天線組成，某幾個天線出現(xiàn)問題時，不會影響整個天線組陣系統(tǒng)的性能，因而具有更加可靠的特點。

3)易維護和易操作。天線組陣技術(shù)具有更強的操作性和更低的成本，天線陣列提供了更好的系統(tǒng)操作靈活性和維護靈活性。

4)電子操作便捷高效。天線組陣的所有波束操作都是由電子設(shè)備來提供的，沒有可以移動的部件，減少了機械故障的概率，降低了維護成本。

5)多波束操作能力。天線組陣具有同時提供多波束天線操作的能力，可用于處于不同方位、執(zhí)行不同任務(wù)的多種航天器。

天線陣在合成來自多個天線的信號時，為了使相加的加權(quán)信號得到最高的信噪比，需要對每個天線接收的信號進行延遲和相位調(diào)整。如SUMPLE算法和Simple算法，SUMPLE算法[9]將每個天線信號與其余天線信號之和相關(guān)，而不是將天線陣的每個天線信號與一個參考天線信號以成對方式相關(guān)。這是一種迭代方法，可以用于處理比Simple算法更弱的信號，算法的復雜度要高于SIMPLE算法。

圖2 SUMPLE天線組陣算法的原理框圖Fig.2 Principle diagram of the SUMPLE antenna arrays algorithm

2 行星際網(wǎng)絡(luò)技術(shù)解決斷續(xù)通信問題的研究

通過在地球表面建立全球性地基深空測控通信網(wǎng)，可以減少由于地球的自轉(zhuǎn)對通信產(chǎn)生的斷續(xù)影響。但是對于行星自轉(zhuǎn)以及行星之間的遮擋所引起的通信中斷無法采用地基深空測控通信網(wǎng)解決，只能通過組建行星際網(wǎng)絡(luò)來解決。

行星際網(wǎng)絡(luò)是指將地球、月球、火星或其他被探測星球組成的網(wǎng)絡(luò)[3]。主要包括行星際骨干網(wǎng)、行星際外部網(wǎng)和行星區(qū)域網(wǎng)[3]。行星際外部網(wǎng)由活躍在行星之間深空領(lǐng)域的單個航天器、星座或編隊組成。行星區(qū)域網(wǎng)由行星及其周圍的航天器組成，地球是特殊的行星區(qū)域網(wǎng)。

行星際骨干網(wǎng)由中繼衛(wèi)星組成，為地球與其他區(qū)域網(wǎng)、行星際外部網(wǎng)之間提供超長傳輸距離的數(shù)據(jù)通信鏈路，還可提供通信與導航服務(wù)。太陽系內(nèi)的任何物質(zhì)都要受到太陽和其他行星引力的影響，會使得衛(wèi)星偏離預定的軌道。為使衛(wèi)星保持在理想的軌道位置，就需要消耗燃料進行軌道保持，這樣就會縮短衛(wèi)星的壽命，增加網(wǎng)絡(luò)的運營成本。因此，中繼衛(wèi)星的設(shè)置至關(guān)重要，可以利用太陽系中的五個拉格朗日點，如圖3所示。在這些點附近由于受到行星和太陽共同的引力作用而呈現(xiàn)出特殊的力學特性，衛(wèi)星可以保持穩(wěn)定或亞穩(wěn)定的狀態(tài)，這樣就減少了衛(wèi)星軌道保持所消耗的能量，增加了衛(wèi)星的壽命，降低了網(wǎng)絡(luò)成本。

在設(shè)置行星際骨干網(wǎng)的中繼衛(wèi)星時可以充分利用這5個拉格朗日點。采取不同的方案設(shè)置中即威脅，比如在L3，L4的位置放置兩顆中繼衛(wèi)星，構(gòu)成行星際網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，如圖3所示。當航天器運行至太陽背對地球的一側(cè)，由于太陽的遮擋造成通信中斷，此時可以利用L3和L4點上的中繼衛(wèi)星進行信息轉(zhuǎn)發(fā)，從而解決斷續(xù)通信的問題。

圖3 太陽-地球的五個拉格朗日點分布情況Fig.3 The position of five lagrange points between sun and earth

行星際網(wǎng)絡(luò)主要目的是在深空、行星以及衛(wèi)星等空間環(huán)境中建立一個通信網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，為空間任務(wù)提供科學數(shù)據(jù)傳遞的通信服務(wù)和導航服務(wù)。要建立通信體系結(jié)構(gòu)就需要研究空間通信協(xié)議[10]，CCSDS提出了用于空間通信的空間/地面通信協(xié)議棧，包括：空間無線頻率和調(diào)制、空間信道編碼與空間鏈路、空間組網(wǎng)、空間端到端安全性、空間端到端可靠性和空間文件傳輸。

3 量子通信技術(shù)解決巨大傳輸時延問題的研究

對于深空通信的巨大傳輸時延問題采用現(xiàn)有的技術(shù)手段很難解決，只能盡量減少大時延造成的不利影響。比如采用航天器自主運行技術(shù)，盡量減少對地面站的依靠，避免航天器出現(xiàn)故障時由于巨大時延導致解決不及時。未來隨著量子通信技術(shù)的發(fā)展有望解決巨大傳輸時延問題。

量子通信是指利用量子糾纏效應(yīng)進行信息傳遞的一種新型的通訊方式。量子通信系統(tǒng)的實現(xiàn)，依賴于具體的量子比特以及對量子比特的操作[11]。為了能夠在量子通信系統(tǒng)中傳輸量子比特，必須產(chǎn)生在變換、傳輸和處理中具有量子特征的信號，這就是量子信號。量子安全直接通信、量子離物傳態(tài)等技術(shù)是量子通信發(fā)展的方向[12]。

在量子通信中，用量子態(tài)表示信息，信息的傳輸就是量子態(tài)在量子信道中的傳送，信息的處理和提取就變成了相應(yīng)的幺正變換和量子測量。量子糾纏態(tài)是兩個或者多個量子系統(tǒng)之間的非定域、非經(jīng)典的關(guān)聯(lián)，是量子系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)或各子系統(tǒng)之間關(guān)聯(lián)的力學屬性，即對一個子系統(tǒng)的測量結(jié)果無法獨立于其它子系統(tǒng)的測量參數(shù)。它是實現(xiàn)信息高速不可破譯通信的理論基礎(chǔ)。量子糾纏最初的表達式為：

其中，x1和x2分布表示量子系統(tǒng)1和量子系統(tǒng)2中的變量。函數(shù)fp和函數(shù)hp形成了糾纏態(tài)。

量子態(tài)隱形傳輸是一種全新通信方式，它傳輸?shù)牟辉偈墙?jīng)典信息而是量子態(tài)攜帶的量子信息，是未來量子通信網(wǎng)絡(luò)的核心要素。量子隱形傳態(tài)利用量子糾纏態(tài)能夠?qū)崿F(xiàn)超高速的信息傳送，從而解決深空通信中的巨大傳輸時延問題。目前量子通信技術(shù)的研究理論水平要遠遠高于實驗室水平，距離實際應(yīng)用還有很大的差距，然而量子通信一旦應(yīng)用將對通信領(lǐng)域帶來巨大變革。

4 結(jié)論

嫦娥二號衛(wèi)星2010年10月1日發(fā)射升空后在38萬公里的月球軌道開展月球探測任務(wù)；在2011年6月9日離開月球軌道飛向距離地球150萬公里的第二拉格朗日點L2，并在8月25日順利到達L2，出色地完成了觀察太陽的任務(wù)，為后續(xù)月球探測和火星探測積累經(jīng)驗；在2012年4月15日受控飛向距離地球大約1000萬公里深邃的太陽系空間；2013年1月5日，剛剛成功飛越探測近地小行星的嫦娥二號衛(wèi)星，在北京航天飛行控制中心的精確控制下，突破1000萬公里，這標志著我國深空探測飛行控制能力得到新的躍升；2013年7月15日嫦娥二號到達距離地球5000萬公里遠的深空，成為一顆人造行星；嫦娥二號有望于2014年7月到達距離地球1億公里遠，以目前狀態(tài)預計，嫦娥二號最遠能夠到達距離地球3億公里遠的地方。正如嫦娥二號任務(wù)一樣，人類對深空的探測是無限的，它不斷地向深空通信提出挑戰(zhàn)，需要不斷提高深空通信能力。需要依靠通信前沿新技術(shù)從根本上解決存在的問題，如深空光通信技術(shù)、天線組陣技術(shù)、行星際網(wǎng)絡(luò)、量子通信技術(shù)。

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