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深空通信
第一章深空通信概述
1.1深空通信概述
由我国两院院士评出的2004年世界十大科技进展中，有两项是与宇宙探索有关的它们是:
“勇气”号和“机遇”号火星车登陆火星并发现曾有水的证据；“卡西尼”号飞船成功进入土星轨道。
从工程技术角度看，探索宇宙的活动已经并将继续大大地促进人类航天系统、传感器设计、远距离信息传输、安全保障等工程技术诸多方面的发展。
其中.通信是维系人类与航天器的纽带，是进行宇宙探索活动的必不可少的环节因为对航天器的引导和控制.取决于可靠的通信而将探测得到的科学数据发回地球又正是通信的任务。
参照国际电信联盟（ITU）1971年于日内瓦召开的关于宇宙通信的世界无线电行政会议（WARC-ST）的规定:
以宇宙飞行体为对象的无线电通信，正式称为宇宙无线电通信，简称为宇宙通信。
它有三种形式：
（1）地球站与宇宙站之间的通信；
（2）宇宙站之间的通信；
（3）通过宇宙站的转发或反射来进行的地球站相互间的通信（也即通常所说的卫星通信）。
这里，宇宙飞行体也就是我们常称的航天（飞行）器从通信角度看，宇宙通信站就是航天器上的通信装置。
宇宙通信有时也称为空间通信。
它可以分为近空通信与深空通信。
1.2深空通信的概念
要了解什么是深空通信，我们首先要知道什么是深空。
首先，外层空间是指地球稠密大气层之外的宇宙范围，简称外空或空间，又称太空。
地球空间是指地球引力作用的空间范围，属于行星空间。
地球空间又划分为近地空间和远地空间。
1988年，在世界无线电管理大会制定的《无线电规则》中，把地球到月球的平均距离（3.844×105km）作为近空和深空的分界线。
20世纪80年代后期，又将近空和深空的分界线定为2×106km。
而我国航天界则普遍把深空定义为月球和月球以远的外层空间。
1971年，国际电信联盟（ITU）在世界无线电管理大会上规定：
以地球大气层之外的航天器为对象的无线电通信，正式称为空间无线电通信，简称空间通信或宇宙通信。
空间无线电通信有3种形式：
①地球站与航天器之间的通信：
②航天器之间的通信：
③通过航天器的转发或发射来进行的地球站相互间的通信。
空间通信分为近空通信和深空通信。
近空通信是指地球实体与地球卫星轨道上的航天器之间的通信。
这些航天器的轨道高度为数百千米至数十万千米，如各种应用卫星（通信卫星等）、载人航天器等。
深空通信一般是指地球上的实体与处于月球及月球以远的宇宙空间中的航天期之间的通信，包括各行星表面的区域通信以及地球与太阳系以外星球间的通信。
1.3深空通信的技术指标
信噪比（SignaltoNioseRatio,SNR）表示航天器发射信号功率与背景噪声功率之比。
射频（RadioFrequency,RF）辐射频率在10kHz~100GHz的频率之间，为了使用上的方便，视频辐射频率被划分为不同的段，称之为频段。
这些频段又进一步划分为较小的频率范围，即频带形式。
实验表明，采用K频段（又可划分为Ku频段、K频段和Ka频段）的的通信系统具有一定的优越性。
一般而言，频段越高，对空间通信就越能展现更大的优越性。
对于用于特定任务的的频段选择主要基于以下几反面考虑：
（1）通信可靠性；
（2）通信性能;（3）无线电导航和无线电科学实验的传输影响；
表1-1无线电频段所对应的频率和波长
频段名称
波长/cm
频率/GHz
L
15~30
1~2
S
7.5~15
2~4
C
3.75~7.5
4~8
X
2.4~3.75
8~12
K
0.75~2.4
12~40
（4）现有的深空网（DSN）或者计划的DSN的性能；（5）设备技术。
《无线电规则》规定了用于深空研究的专用频率资源，其具体划分情况如表1-2所示。
表1-2“业务”一项中，将“业务”分为2个级别：
“主要业务”和“次要业务”。
“主要业务”表示与其他主要用户有同等权利；“次要”表示与其他次要用户有获准使用的同等权利，但不受来自主要用户使用该频段引起干扰的保护，且不能干扰主要用户对该频段的使用。
深空网的地面跟踪站所接收到的航天器无线电信号的频率或者波长，通常会发生一定的的变化，这一现象称为多普勒效应。
其产生原因是：
在深空任务中，由于航天器绕天体轨道的变化以及地球自转的影响，航天器与地面跟站之间的相对运动产生了多普勒效应。
表1-2用于深空研究的无线电划分表
划分频段
描述
业务
2110MHz~2120MHz
划分给空间研究（深空）业务的地对空方向
主要业务
2290MHz~2300MHz
划分给空间研究（深空）业务的空对地方向
主要业务
5650MHz~5725MHz
划分给空间研究（深空）业务
次要业务
7145MHz~7190MHz
使用仅限于深空
主要业务
8400MHz~8450MHz
使用仅限于深空
主要业务
12.75GHz~13.25GHz
划分给空间研究（深空）业务的空对地方向
次要业务
16.1GHz~17.1GHz
划分给空间研究（深空）业务的地对空方向
次要业务
31.8GHz~32GHz
划分给空间研究（深空）业务的空对地方向
主要业务
32GHz~3.23GHz
划分给空间研究（深空）业务的空对地方向
主要业务
34.2GHz~34.7GHz
划分给空间研究（深空）业务的地对空方向
主要业务
无线电信号从深空网天线传输到遥远的航天器所经由的链路称为上行链路，对应地，无线电信号从航天器传输到深空网所经由的链路称为下行链路。
航天器通信链路仅仅包含下行链路，这种链路称为单向链路，这种通信方式称为单向通信方式。
当航天器接收上行链路信号时，深空网能够同时接收下行链路信号，这种通信方式称为双向通信方式，这种链路称为双向链路。
下行链路信号除了用作传输调制的遥测数据以外，还用于承载深空网跟踪航天器有关数据和无线电科学实验数据。
下行链路信号的这些应用要求在一段时间内，从载频为吉赫级检测出赫级的载频变化。
这就需要下行链路载波频率极其稳定，并且十分精确。
因为航天器不可能搭载很大的设备来完成载频的稳定，这就要求深空通信要充分利用上行链路，使上行链路具有载频稳定性。
事实上，航天器仅仅传输来自深空网的上行链路的信号。
传输后，下行链路就为双行链路，或为相干的。
在深空网中在场是有的技术术语是分贝（Decibel,简称dB），分贝是用于描述2个功率值比率的度量单位。
例如，100W的声频放大器产生的功率比10W的声频放大器产生的功率高10dB，两者功率比为10：
1。
相反地，功率比为1：
10时，前者比后者高-10dB。
从数学上来说，分贝值是非线性的，是对数形式的。
功率比为10：
1对应的分贝值为10dB，功率比为100对应的分贝值为20dB，功率比为1000对应的分贝值为30dB，依此类推。
航天器产生的数字形式的科学与工程数据调制到S频段和X频段的载波信号上，进而传送到深空网天线并发送出去。
调制分两步：
首先，原始信息数据被调制到副载波频率，此时的频率较低；然后，把副载波的调制数据调制到射频载波并发送出去，对航天器而言，就是通过航天器发射机和天线将射频信号发射并传输到地球。
在深空网接收站，其处理过程与航天器处理过程相反。
高敏感度接收机检测载波信号，并从中得到副载波，然后送到副载波解调器。
副载波解调器进行解调，恢复出原始数据信息。
在传输过程中，大多数航天器采用了信道编码来对付由于噪声或者干扰所产生的差错。
在深空网跟踪站利用专门设施进行译码操作。
1.4深空通信的工作环境
深空通信所处的宇宙空间环境对航天器的结构高、轨道、元器件、材料以及航天器与深空通信地面终端设施之间的信息传输等方面都有影响。
只有熟悉宇宙空间环境并克服其主要影响，在能保证深空通信的可靠性，完成既定的任务。
宇宙空间环境是指航天器在轨道上运行时所遇到的自然环境与人为环境。
宇宙空间环境可以根据其性质的不同划分为近地宇宙空间环境、行星际宇宙空间环境、恒星际宇宙空间环境等。
首先介绍太阳系。
太阳系太阳、8颗行星166颗已确定的卫星4颗矮行星以及无数的小行星、彗星、冰冻的Kuiper带物体、流星体以及行星间尘埃组成的。
按照从太阳起往外的顺序，太阳系的组成是：
水星、金星、地球、火星、小行星带、木星、土星、天王星、海王星、Kuiper带。
离太阳较近的水星、金星、地球及火星称为类地行星，又称为内行星。
4颗类地行星具有彼此可比拟的大小、大气、密度、温度、和成分。
他们的共同特点是密度大（大于3.0g/cm3）、体积小、自传慢、卫星少，内部成分主要是硅酸盐，
具有固体外壳。
离太阳较远的木星、土星、天王星、海王星称为类木行星，又称外行星。
类木行星主要由氢和氦组成，并且包含卫星和环。
他们都有很厚的大气圈，在火星与木星之间有100万个以上的小行星。
太阳与地球之间的距离为1.4959787×1011（该距离被定义1天文单位AustronomicalUnit，简称AU）.太阳是个等离子体，总辐射功率为3.83×1026W,可见部分称为光球，光球为太阳气体表面，太阳主要由氢和氦组成，光球以外为色球，气体稀薄而透明，色球外的稀薄气体为日冕，可延伸至几倍太阳半径的地方。
光球之内越往里，温度越高，气压越大。
太阳内部进行着大规模的热核反应，热核反应所释放的巨大能量是太阳一切活动的根源。
太阳还辐射γ射线、X射线、紫外线、红外线、微波和无线电波等各种波长的电磁波。
太阳黑子是太阳气体中的强烈漩涡，其温度比周围低，但仍高于4500K。
太阳黑子中的物质及其剧烈，对地球高层大气及地球气候具有明显影响。
太阳表面出现的异常明亮的斑点和条纹称为太阳耀斑，他是太阳的一种高温爆发现象。
在黑子活动高峰期，耀斑活动频繁，可持续几分钟至几小时，耀斑放射的紫外线、X射线、可见光及射电辐射可突然增加几百倍，同时以1000km/s以上的速度喷射带电粒子。
带电粒子有一部分进入近地空间，出现磁暴，产生对磁场的干扰，影响电磁设备的正常工作。
强烈的紫外线和X射线破坏电离层的结构，引起电离层的扰动，造成空间通信的衰弱甚至中断。
宇宙空间环境中固有的辐射线为范艾伦辐射带、太阳辐射线和宇宙线等。
这些辐射线对深空航天器的太阳能电池、晶体管、二极管等半导体元件有很大影响，所以要进行航天器设计时，要考虑适当的耐辐射线的设备和辐射线屏蔽方法。
范艾伦辐射带是地球的外大气层中由于地球磁场的作用捕获的带电粒子聚集而成的辐射能带。
它是放射性离子受地球磁场及重力场的影响被浓化而集中起来的带，它围绕地球成双层环状。
内带主要由30MeV的高能质子所组成，在地球赤道上2000km～5000km的高度，一直扩展到地磁纬度35○附近，环绕着地球。
外带是由50keV～5MeV的电子和1MeV一下的低能质子组成，处于10000km～20000km的高度，扩展到550～700的地磁纬度。
最大强度位于160000km附近。
它和内带不同，非常容易变化，最大强度的位置和几何形状，受太阳活动影响很大。
太阳辐射线是由紫外线、红外线、X射线、以及其他辐射能所组成的。
其中，紫外线和太阳X射线有破坏化学键或足以引起化学反应的能量。
红外线本质上是热线可以用屏蔽、涂层等方法防止它对航天器的影响。
宇宙线一般由80%质子、19%α粒子、1%重原子核及微量的电子组成的，其能量为10MeV～1.0×106MeV。
它的产生虽然很难预测，但是不能忽视伴随着太阳闪射而放出的高能微粒的影响。
地球大气层地球大气是影响航天器轨道运动和姿态运动的重要因素。
地球大气层与外层空间之间没有完全定义的分界线。
根据大气的密度、温度等热力学特性参数，地球大气层由地面向上大致可以分为对流层、平流层、和外层；根据电离情况，可分为非电离层和电离层；根据成分情况，可分为均匀层和非均匀层；根据其他情况分，可分为臭氧层、磁层和等离子体层等。
地球大气分层情况如表1-3.
表1-3地球大气分层
层
高度/km
特征
对流层
0～12（极区8，赤道18）
发生强烈对流，有各种气象现象，温度随高度递减
平流层
12～50
垂直对流并不强烈，多为平流运动，水分少，无气象现象，尘埃少，透明度高，臭氧吸收紫外线引起温度随高度递增
中间层
50～85
温度随高度递减，77km以上有气辉出现
热层
85～500
温度随高度递增
热顶层
500
恒温区开始
外层
>500
1000km以上随高度递增，不考虑分子碰撞，大气分子大多电离
均匀层
<90
大气平均分子量不变
非均匀层
>90
大气开始光化离解和重力分解，比重轻的气体开始在比重重的气体之上
非电离层
<50
大气处于中性原子状态
电离层
>50
臭氧层
10～70
辐射层
内辐射带（600～10000）
外辐射带（10000～60000）
主要成分是高能带电粒子
主要成分是电子
磁层
磁顶层（6Re～7Re）
磁尾长（2000Re）
半径（20Re）
对带电粒子能起主动控制作用
等离子体层
电离层上方至4Re
大气分子全部电离
注：
Re为地球半径，Re=6371km
表1-6中的电离层是由太阳的紫外线，X射线，微粒辐射和流星电离等的作用，使高层大气在50km高度以上，几千千米以上的高度一下形成电离状态。
字啊此高度范围内它的分布浓度是不均匀的，且随着精度，纬度，昼夜，季节和太阳黑子的周期而变化，有事业发生一些突然变化。
微流星体（Micrometeoroid）通常是指直径小于1mm，质量在1mg以下的固体颗粒，它们在太阳引力的作用下运动，其相对于地球的平均速度为10km/s~30km/s，最大速度可以达72km/s。
天然微流星一般分为零星微流星和雨流微流星（即流星雨），通常颗粒密度为0.5g/cm³。
太阳系中的一些流星雨运动轨迹和参数是已知的，航天器与这些流星雨的碰撞时可以预测的，而合不定期的流星相撞时随机的。
流星数量随着流行质量的减少而增加（呈指数分布），由于微流星的数量比大流星体的数量多的多，所以旱天气主要是遭受微流星体的危害。
空间碎片（SpaceJunk），即轨道碎片（OrbitalDebris），也就是太空垃圾（SpaceJunk），是人类航天活动在太空下留下的不再工作的人造物体，且处于地球轨道或者能够再次进入地球大气层。
空间碎片是空间环境的主要污染源，主要包括：
（1）航天器在发射或工作时丢弃的物体；
（2）消耗的和完整的火箭箭体；
（3）不再工作的有效载荷；
（4）其他各种碎片，如航天活动中大量的辅助部件等；
（5）太空物体之间碰撞产生的大量太空垃圾。
空间碎片对航天器有如下主要危害：
（1）具有足够能量的碎片能够打穿航天器的舱壁，使得舱内氧气泄露并威胁舱内航天员或仪器设备的安全
（2）威胁舱外活动的航天员的安全。
（3）损坏航天器表面和外部设施（如高增益天线等）。
第二章深空通信的发展概况
通信是维系航天器与人类之间的纽带。
2.1起源阶段
2.1.1开端阶段
20世纪中期，当时还是美国陆军旗下的JPL首先进入了空间通信领域，并进行研究工作。
当时JPL的Microlock地面站系统由1.524m（即5英尺）长的螺旋天线组成，负责美国陆军通信任务。
1958年1月，该地面系统成功跟踪了美国发射的第一颗人造地球卫星“探险者”1号。
这颗卫星系统工作频段为108MHz（其中1个60mW发射机工作在108.03MHz，1个10mW发射机工作在108.00MHz），并发现了地球上的范爱伦辐射带（“探险者”3号证实了范爱伦辐射带的存在）。
1958年10月1日，NASA作为一个非军事组织成立。
1958年11月，在美国加利福尼亚Barstow市西南72km的莫哈威沙漠里，戈尔德斯顿接收站（后来被命名“先驱者”号地面站）建成了第一个DSN大型地面天线，该天线直径为26m（即85英尺），被称为“深空仪器设备11”（DeepSpaceInstrumentationFacility11，DSIF11），也称“深空站11”。
戈尔德斯顿接收站用于跟踪1958年12月发射的“先驱者”3号和1959年3月发射的“先驱者”4号探测器。
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，馈源系统由5个基本元件组成，即副反射面，副反射面装配与调准系统，喇叭天线，支撑堆和传输线系统，戈尔德斯顿接收站使用360MHz频段的接收机和混频器来应对1500k的噪声温度的影响。
通过使用数个LNA作为前置放大器，戈尔德斯顿接收站接受机灵敏度得到了很大程度的改善。
1960年2月，戈尔德斯顿发射站建成。
戈尔德斯顿发射站采用第二个DSN大型地面天线，该天线为高速Az-El（azimuthelevation）发射天线，天线直径为26m。
随后通过2个大型地面天线在距地球1609.348km的轨道上开展了“回声”号气球信号传输实验，气球直径为30.48m。
1960年8月12日，“回声”1号发射，发射2h内，艾森豪威尔的一段话音录音通过“回声”号从戈尔德斯顿发送到新泽西州Holmdel的贝尔电话实验室（BellTelephoneLaboratories，BTL）.这次试验通过1个大型的轨气球的信号发射，测试了地球表面2个远地点长距离通信的可行性。
1979年，该天线的直径由26m延伸至34m。
随后，应用2个大型地面天线开展了第一次行星雷达实验——金星雷达实验，金星雷达的馈源系统配置的副反射面由一个直径为2.438m的阶段双曲面以及一个可以减少天线噪声温度的直径为3.048m的非光学轮缘组成
2.1.2技术改进阶段
1962年，一种新型的直径为26m的极地天线的戈尔德斯顿“回声”号地面站建立。
原来的“回声”号地面站天线被转移到金星地面站，用于新技术的研发和设备的测试。
1963年12月，即在“先驱者”号地面站天线和直径为26m的天线网络建成5年后，官方宣布正式建成DSN。
DSN地面系统需求由空间探测任务驱动。
DSN确立了深空通信的研究与发展计划，包括天线技术，LNA技术，接线机技术，编码技术以及频率与定时技术等。
2.1.3DSN技术攻关阶段
为了开发低噪声固态微波激射器，从而解决地面站接收系统的噪声温度问题，1955年，微波激射器的研究与开发工作展开，起初重点是开发一种氨分子微波激射器。
1959年JPL演示了一种工作频段为960MHz，使用红宝石的腔型微波激射器。
2.2“水手”号阶段
“水手”号深空探测阶段从1961年开始，到1974年结束。
“水手号”深空探测阶段的深空任务集如表2-1所列。
表2-1水手号”深空探测阶段的深空任务集
计划
类型
发射/次
完成任务/次
首次发射时间
末次发射时间
任务间隔时间/年
漫游者号
月球拍摄
9
3
1961.8
1965.3
4
水手号
飞跃金星火星
10
7
1962.7
1973.11
11
先驱者号
星际
木星
4
2
4
2
1965.12
1972.3
1968.11
1973.4
3
1
阿波罗号
载人，月球
16
13
1967.11
1972.12
5
探索者号
月球登陆车
7
5
1966.5
1968.1
2
月球轨道舱号
月球轨道器
5
5
1966.8
1967.8
1
在水手号深空探测阶段里，“漫游者”号计划“水手号”计划和“探索者”号计划，弗吉尼亚Langley研究中心负责管理“月球轨道舱”号计划，马里兰的Goddard航天飞行中心负责“阿波罗”计划，并且“阿波罗”计划应用了DSN。
“漫游者”号探测器采用了姿态稳定策略，用于保持天线指向地球和DSN的3个深空通信设施，从而获得高增益。
并且探测器在飞行过程中，其太阳面板时刻对准太阳。
由JPL设计的水手号负责行星任务，“水手”10号是首个对金星金星拍摄首个飞越并拍摄水星，首个具有多舱结构功能的探测器，并且首次使用了双频无线电传输和组阵地面站天线。
不同于早期的月球探测计划“先驱者”号，这一时期的先驱者号探测器设计用于测量行星间场和粒子环境，被称为行星间天气站。
1963年-1966年，开发的S频段（2388MHz）行波微波激射器，具有8K的噪声温度，主要用于雷达方面。
1974年，开发了可调谐S频段（2250MHz~2400MHz）TWM，用于DSN任务支持，其噪声温度为2K~8K。
2.3“海盗”号阶段
在海盗号深空探测阶段中，水手10号进行金星和水星的探测。
“先驱者”6号至9好负责在地球轨道外和太阳轨道内观测行星间场和粒子现象。
“先驱者”10号和11号负责木星的探测。
“太阳神”号的2个探测器是DSN首次支持的非NASA任务的探测器，先驱者号的金星轨道舱号负责对金星再次感应和探测，而先驱者号的多星球探测器号负责金星大气层成分和结构的检测。
“海盗号”计划由2个海盗号探测器组成，每个探测器由一个轨道舱和一个着陆舱构成，“海盗号”任务的深空站（DSS）主要性能如下表2-2所示
表2-2“海盗号”任务的深空站（DSS）主要性能
深空站主要设施
性能指标描述
直径为26m天线的地面站
深空站DSS11,42,61,12,44,62
一个低速率和一个中速率遥测数据流
DSS11,42,43,61,63共享S频段范围
1个高速地面信信道
数字/模拟原始数据记录
直径为64m天线的地面站
DSS14，43，63
单指令上行链路，20kw（主），100kw/400kw（备用）
6个低，中，高速遥测数据流
S频段和X频段
1个高速和1个宽带地面通信信道
数字/模拟原始数据记录
S频段和X频段隐藏数据接收与记录
地面通信设施
50kb/s宽带信道DSS14至JPL
27.6kb/s宽带信道DSS43.63至JPL
4800b/s高速信道
电路性能检测和差错检测
网络运行和控制中心
自动记录功能
中间数据记录生成
网络系统性能检测,显示与数据系统确认
跟踪性能检测
网络运行控制
火星雷达
X频段发射与接收
400kW发射功率
2.4“旅行者”号阶段
旅行者号深空探测阶段从1977年开始，到1986年结束。
旅行者号深空探测阶段起止端即为1977年旅行者号的发射和1986年伽利略号的首次展现于世人面前。
1979年,DSN直径为26m的极地天线扩展到直径为34m,20世纪80年代中期,DSN引入了一个新型直径为34m的高增益（HEF）双成形（Dual-Shaped）反射面天线.
2.5“伽利略”号阶段
1985年，织女1号和织女2号探测器成功飞越金星。
随后，1986年3月，织女1号和织女2号继续接近哈雷彗星。
后来织女1号和织女2号被命名为“探路者”号，为了使探路者号在哈雷彗星轨道上处于精确的位置，DSN对此项任务提供了跟踪支持。
1986年，针对“哈雷”彗星的深空任务就有14个之多，包括了“乔托”号等任务。
该任务由于其下行链路的问题，导致“观察者”号最终由其自身携带的推进器自爆而销毁。
1986年,一种DSN噪声温度为2.5K的S频段微波激射器用于位于日本的直径为64m的天线,以支持ICE任务.
1988年.DDS子网的直径为64m的抛物面天线升级到高效率双成形光学反射面直径为70m的天线,通过使用高精确面板增加了主反射表面精确性.
2.6“卡西尼”号阶段
表2-3卡西尼号深空探测阶段的深空任务
执行任务的航天器名称
发射时间/年
执行深空任务的航天器名称
发射时间/年
“伽利略”号
1989
“近地小行星会合”号
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