吳海濤，梁迎春，陳英俊

（肇慶學(xué)院 電子信息與機電工程學(xué)院，廣東 肇慶 526061）

在深空探測任務(wù)中，通信系統(tǒng)肩負著傳輸指令信息、遙測遙控信息、跟蹤導(dǎo)航信息、姿態(tài)控制、軌道控制等信息和傳輸科學(xué)數(shù)據(jù)、圖像、文件、聲音等數(shù)據(jù)的任務(wù)，因此可以說，通信系統(tǒng)的正常運行是整個深空探測任務(wù)成功的重要保證.沒有通信的支持，深空探測就無法實現(xiàn).

本文中，筆者首先給出了深空通信的基本概念和系統(tǒng)組成，分析了深空通信的基本任務(wù)和特點，總結(jié)了深空通信中的關(guān)鍵技術(shù)；然后，介紹了拉格朗日點在深空通信中的應(yīng)用及行星際互聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，詳細分析了深空通信的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；最后給出了深空通信的發(fā)展趨勢與所面臨的挑戰(zhàn).

1 深空通信概述

1.1 深空通信的概念

參照國際電聯(lián)（ITU）的規(guī)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(zhuǎn)發(fā)或反射進行的地球站間的通信，即所謂的衛(wèi)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(wèi)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(shù)百至數(shù)萬公里，如各種應(yīng)用衛(wèi)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(wèi)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(tǒng)組成

一個典型的深空通信系統(tǒng)組成如圖1所示.在空間段，該系統(tǒng)包括飛行數(shù)據(jù)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；在地面段，該系統(tǒng)則包括任務(wù)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(wèi)星通信）、測控設(shè)備、深空通信收發(fā)設(shè)備和天線[1].

1.3 深空通信的基本任務(wù)

深空通信要執(zhí)行的基本任務(wù)及基本功能有3個：指令、跟蹤和遙測.前兩者負責(zé)從地球?qū)教炱鞯囊龑?dǎo)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(tǒng)將地面的控制信息發(fā)送到航天器，令其在規(guī)定時間內(nèi)按規(guī)定的參數(shù)執(zhí)行規(guī)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(shù)據(jù)，但傳輸質(zhì)量要求極高，以保證到達航天器的指令準(zhǔn)確無誤.

跟蹤分系統(tǒng)獲取有關(guān)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，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(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).科學(xué)數(shù)據(jù)載有從航天器上儀器所獲取的有關(guān)探測對象的信息，這些數(shù)據(jù)容量中等但極有價值，要求準(zhǔn)確傳送.工程數(shù)據(jù)報告航天器上儀器、儀表和系統(tǒng)狀態(tài)的信息，容量甚低，僅要求中等質(zhì)量的傳送.圖像數(shù)據(jù)的容量大，因信息冗余量較大，故僅要求中等質(zhì)量的傳輸.

圖1 典型的深空通信系統(tǒng)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(jié)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(shè)備硬件和協(xié)議的設(shè)計起限制作用.

2 深空通信中的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 天線組陣技術(shù)

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(fā)射天線口徑和增加發(fā)射功率等手段.組陣天線有2個顯著優(yōu)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(dāng)單個天線發(fā)生故障時天線陣性能減弱，但并不失效.天線組陣技術(shù)是實現(xiàn)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(yīng)用前景.

2.2 調(diào)制技術(shù)

調(diào)制是為了使發(fā)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(yīng)采用具有恒包絡(luò)或準(zhǔn)恒包絡(luò)的調(diào)制方式，以便使調(diào)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(guān)研究結(jié)果表明：使用非線性功率放大器和準(zhǔn)恒定包絡(luò)調(diào)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(luò)調(diào)制信號的增益.針對深空通信的特點，CCSDS（空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會）給出了可用于深空環(huán)境的恒包絡(luò)或準(zhǔn)恒包絡(luò)調(diào)制方式，主要有GMSK，F(xiàn)QPSK和SOQPSK.空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)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?guī)捲黾?，因而對傳輸性能的要求越來越?新的調(diào)制體制成為當(dāng)前研究的熱點，其研究目標(biāo)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(luò)恒定等.

2.3 信道編碼技術(shù)

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(tǒng)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(shù)每提高1 dB的增益，在發(fā)送和接收設(shè)備上就能節(jié)省約100萬美元[3].在目前發(fā)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(shù)中，典型方案是以卷積碼作為內(nèi)碼，以里德－所羅門（RS）碼作為外碼的級聯(lián)碼.隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對長碼的譯碼得以實現(xiàn).在今后的航天器上采用具有優(yōu)異性能的Turbo碼和LDPC碼等長碼進行信道編碼是深空通信發(fā)展的必然.近年來，出現(xiàn)了一些面向深空通信的噴泉編碼技術(shù).級聯(lián)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(fù)雜度[4－5].

2.4 信源壓縮技術(shù)

受信道速率的限制，探測器一般無法將探測數(shù)據(jù)實時傳回地球.探測器經(jīng)過探測目標(biāo)時，一般采用高速取樣并存儲，等離開目標(biāo)后，再慢速傳回地球.傳輸?shù)乃俾试铰?，整個數(shù)據(jù)發(fā)送回地球需要的時間就越長，從而限制了數(shù)據(jù)、圖像的采集和存儲，甚至被丟棄.深空探測過程中的數(shù)據(jù)、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(shù),可以減少需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，則在相同的傳輸能力下，能夠?qū)⒏嗟臄?shù)據(jù)傳回地球，緩解數(shù)據(jù)通信的壓力.

3 深空通信網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

3.1 拉格朗日點的應(yīng)用

1772年，法國數(shù)學(xué)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(tǒng)和地球與月球系統(tǒng)中各存在5個拉格朗日平衡點L1～L5的結(jié)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(tài)，如圖2的地月系統(tǒng)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(zhuǎn)動坐標(biāo)系的影響，既不會脫離地月系統(tǒng)，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(wěn)定區(qū)域內(nèi)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(wěn)定區(qū)，脫離地月系統(tǒng)進入深空或太陽系的其他行星.

圖2 地月系統(tǒng)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(jié)點上放置中繼衛(wèi)星構(gòu)建IPN（InterPlaNetary Internet）骨干網(wǎng).例如：太陽和日風(fēng)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(fā)射升空.在L1拉格朗日點上公轉(zhuǎn)，其公轉(zhuǎn)周期與地球相同，可全天候觀測太陽.中國計劃于2012年發(fā)射的“夸父追日”計劃由3顆衛(wèi)星組成：其中1顆就設(shè)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(jiān)測太陽活動的發(fā)生及其伴生現(xiàn)象；另外2顆衛(wèi)星在地球極軌大橢圓軌道上飛行，用來監(jiān)測太陽活動導(dǎo)致的地球近地空間環(huán)境的變化.不久的將來，拉格朗日點不僅可以作為IPN骨干網(wǎng)的信息中繼節(jié)點，還可以建立大型空間資源中轉(zhuǎn)站乃至進行火星移民，具有非常重要的戰(zhàn)略意義.

3.2 行星際互聯(lián)網(wǎng)

為了有效實現(xiàn)地球和宇宙行星之間的信息傳輸，美國提出了行星際互聯(lián)網(wǎng)的概念.IPN是一種空間網(wǎng)絡(luò)及分布式通信技術(shù)的通用架構(gòu)，包含IPN骨干網(wǎng)、IPN外部網(wǎng)及PN行星網(wǎng)絡(luò)等[6]，如圖3所示.

圖3 IPN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3.3 深空通信的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

IPN是一個典型的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，對于低時延和相對低噪聲的環(huán)境，可以直接采用空間IP協(xié)議，空間IP協(xié)議體系的優(yōu)勢是技術(shù)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(wù)的需要.空間IP協(xié)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(xié)議是基于端到端重傳的協(xié)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(shù)據(jù)傳輸協(xié)議主要是CCSDS建議[7].CCSDS針對空間環(huán)境特點，對地面標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議進行相應(yīng)改進，開發(fā)了一套涵蓋網(wǎng)絡(luò)層到應(yīng)用層的空間通信協(xié)議規(guī)范(SCPS)，較全面地解決了空間信息傳輸問題.針對其特點，CCSDS協(xié)議也提出了相應(yīng)的解決方法，如CCSDS文件傳輸協(xié)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(shù)據(jù)的模式；選擇重傳機制仍是基于端到端的重傳.CFDP協(xié)議僅限定于文件傳輸應(yīng)用，解決方法不夠徹底，缺乏更完善的應(yīng)用服務(wù)，從星際互聯(lián)角度考慮的體系結(jié)構(gòu)不夠全面.文獻[8]通過引入噴泉編碼技術(shù)，對CCSDS文件傳輸協(xié)議進行改進，并提出了一種基于數(shù)據(jù)包交織的文件傳輸協(xié)議.該交織技術(shù)不僅能簡化傳輸協(xié)議，減少文件傳輸時延，還能增大系統(tǒng)的吞吐量并保證通信的有效性.

近年來，還產(chǎn)生了CCSDS協(xié)議體系與空間IP協(xié)議體系相結(jié)合的思想.在數(shù)據(jù)鏈路層仍然可以使用CCSDS建議；網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)用IP及其擴展技術(shù)；傳輸層和應(yīng)用層選用商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議或CCSDS協(xié)議.這種解決方案具有較為靈活的協(xié)議配置能力，但沒有從根本上消除空間IP協(xié)議體系和當(dāng)前CCSDS協(xié)議體系在深空通信中的固有缺陷，協(xié)議堆棧的可適應(yīng)感知能力較弱，仍面臨許多挑戰(zhàn).

為解決深空環(huán)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(wǎng)絡(luò)(DTN)的協(xié)議草案，命名為Licklider傳輸協(xié)議（LTP），以替代IP協(xié)議和TCP協(xié)議.

在深空通信體系結(jié)構(gòu)中，以上3種協(xié)議體系并非單純的技術(shù)演進而是互依并存的.地面互聯(lián)網(wǎng)TCP/ IP的成熟技術(shù)和空間IP的應(yīng)用驗證為CCSDS建議的改進提供了明確方向，CCSDS與IP相結(jié)合的協(xié)議體系，成為發(fā)揮TCP/IP的巨大優(yōu)勢并能滿足空間通信要求的基本解決途徑.DTN協(xié)議體系結(jié)構(gòu)可以通過整合前兩者分層協(xié)議和自身協(xié)議以解決深空環(huán)境異構(gòu)異質(zhì)條件下的可靠傳輸問題[9]，但DTN協(xié)議與前兩者相比具有明顯的區(qū)別：一是DTN不假定存在發(fā)送端與接收端的端到端路徑，包裹采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)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(wǎng)絡(luò)的覆蓋層，采用此覆蓋的節(jié)點依靠發(fā)送稱為“包裹”的異步消息進行通信.雖然DTN協(xié)議體系的思想可以使針對不同網(wǎng)絡(luò)的底層協(xié)議得到優(yōu)化，但DTN的協(xié)議堆棧只是給出了一個框架，許多關(guān)鍵技術(shù)仍在開發(fā)中[10].

4 深空通信的發(fā)展趨勢與所面臨的挑戰(zhàn)

我國的深空探測經(jīng)過40多年的發(fā)展，已經(jīng)實現(xiàn)了載人航天和太空行走，積累了豐富的實踐經(jīng)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(fā)射探測器，并實現(xiàn)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(wèi)1－土壤”探測器一起于2011年10月發(fā)射.由于我國相關(guān)研究起步比較晚，與發(fā)達國家相比還有一定差距，因此我們更應(yīng)該瞄準(zhǔn)當(dāng)今國際深空探測通信技術(shù)的前沿，積極繼承和充分利用中國航天已有的技術(shù)積累，突破創(chuàng)新，大力發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的深空探測通信核心與關(guān)鍵技術(shù).

深空通信與傳統(tǒng)地面通信存在巨大差別，其面臨的挑戰(zhàn)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(xù)、間歇可達；5）缺乏固定通信基礎(chǔ)設(shè)施；6）行星間的距離影響信號強度和協(xié)議設(shè)計；7）功率、質(zhì)量、尺寸和成本制約影響通信硬件和協(xié)議設(shè)計；8）為節(jié)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(xiàn)狀與發(fā)展[J].數(shù)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(shù)發(fā)展趨勢及思考[J].宇航學(xué)報,2007,28(4):786-793.

[3] 周輝,鄭海昕,許定根.空間通信技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)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(shù)[J].宇航學(xué)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(lián)方案在深空通信中的應(yīng)用[J].電子與信息學(xué)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(xié)議的交織技術(shù)研究[J].宇航學(xué)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(shè),宋世杰,沈榮駿.深空通信DTN應(yīng)用研究[J].宇航學(xué)報,2010,31(4):941-949.