高麗娟，蔣太杰

（裝備學(xué)院 北 京101416）

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

深空通信隨著探測(cè)距離的不斷增加，自身固有的一些特點(diǎn)會(huì)帶來一系列的問題。距離越遠(yuǎn)面臨的問題越突出[2]，主要有：1）路徑損失大大增加，如探測(cè)冥王星時(shí)信號(hào)的路徑損失相對(duì)于地球靜止軌道衛(wèi)星增加了106.416 dB。2）巨大的傳輸時(shí)延，如冥王星到地球的單程時(shí)延為418.617 min。3）時(shí)斷時(shí)續(xù)的通信，由于地球和行星的自轉(zhuǎn)會(huì)影響通信接觸時(shí)間，導(dǎo)致時(shí)斷時(shí)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(fèi)巨大、高精度導(dǎo)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(duì)前3個(gè)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(jī)接收到的信號(hào)功率減少，信號(hào)接收功率的計(jì)算公式可以表示為：

其中，PR表示接收機(jī)收到的信號(hào)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(bǔ)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(shí)現(xiàn)。天線增益的計(jì)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(shí)現(xiàn)。

因此，目前彌補(bǔ)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(cè)距離的不斷變遠(yuǎn)，所需要彌補(bǔ)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(bǔ)路徑損失。為了彌補(bǔ)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(jī)接收到的信號(hào)功率從而彌補(bǔ)遠(yuǎn)距離產(chǎn)生的路徑損失。但是提高射頻信號(hào)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(dāng)射頻信號(hào)的頻率增加受限時(shí)，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(shì)，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(jìn)行信息傳輸?shù)募夹g(shù)[4]。用于通信的激光波長(zhǎng)范圍為532～1 550 nm，對(duì)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(hào)高4～5個(gè)數(shù)量級(jí)。

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(xué)天線對(duì)應(yīng)的光波能量密度是口徑3．7mX波段天線對(duì)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(huì)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(jì)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(duì)運(yùn)動(dòng)速度等）、外界約束條件（背景光、振動(dòng)、大氣信道等）和當(dāng)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(shì)，主要有以下幾個(gè)方面：

1)通信組件體積和質(zhì)量更小。深空探測(cè)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(diǎn)，小型化的激光通信設(shè)備給探測(cè)器其他系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(dá)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(duì)深空探測(cè)器供電系統(tǒng)的要求。

4)傳輸距離遠(yuǎn)，方向性強(qiáng)。激光通信發(fā)射信號(hào)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(hào)傳送至更遠(yuǎn)的距離。

5)抗干擾能力強(qiáng)。激光波束不會(huì)像射頻信號(hào)一樣受到復(fù)雜電磁環(huán)境的干擾，同時(shí)航天器之間利用激光通信時(shí)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(xì)，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(qiáng)。

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(gè)10 m望遠(yuǎn)鏡接收深空信號(hào)，全球覆蓋，支持多個(gè)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(gè)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，稱為“線性分散光學(xué)子網(wǎng)”；另一種方法在全球設(shè)置3個(gè)站，每個(gè)站上布設(shè)3個(gè)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，稱為“集群配置光學(xué)子網(wǎng)”。天基方案是在中軌或高軌放置口徑7 m的光學(xué)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(cè)方式，但天基方案的成本較高，且只能在給定時(shí)間支持一個(gè)航天器任務(wù)。

但是在深空任務(wù)中采用激光通信還會(huì)遇到一些新的挑戰(zhàn)，比如深空通信的鏈路距離更長(zhǎng)，深空任務(wù)的發(fā)射成本更高，任務(wù)壽命期更長(zhǎng)，深空任務(wù)對(duì)飛行終端的質(zhì)量和功率要求十分苛刻，同時(shí)對(duì)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(dá)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(yàn)證階段，離工程應(yīng)用還有較遠(yuǎn)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(bǔ)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(fēng)變形和重力下垂變形會(huì)加劇，從而導(dǎo)致天線效率下降。對(duì)于天線技術(shù)的研究也越來越關(guān)注[7]，當(dāng)增大單副天線口徑受限時(shí)，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(bǔ)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(diǎn)的多個(gè)天線組成天線陣列[8]，接收來自同一信源的信號(hào)，利用信號(hào)的相干性和噪聲的不相關(guān)性，將各個(gè)天線接收的信號(hào)進(jìn)行加權(quán)合成，從而獲得所需的高信噪比接收信號(hào)。

天線組陣的優(yōu)勢(shì)包括以下幾個(gè)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(dòng)性，波束可以對(duì)準(zhǔn)任意方向，相比于機(jī)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(gè)天線出現(xiàn)問題時(shí)，不會(huì)影響整個(gè)天線組陣系統(tǒng)的性能，因而具有更加可靠的特點(diǎn)。

3)易維護(hù)和易操作。天線組陣技術(shù)具有更強(qiáng)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(hù)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(dòng)的部件，減少了機(jī)械故障的概率，降低了維護(hù)成本。

5)多波束操作能力。天線組陣具有同時(shí)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(gè)天線的信號(hào)時(shí)，為了使相加的加權(quán)信號(hào)得到最高的信噪比，需要對(duì)每個(gè)天線接收的信號(hào)進(jìn)行延遲和相位調(diào)整。如SUMPLE算法和Simple算法，SUMPLE算法[9]將每個(gè)天線信號(hào)與其余天線信號(hào)之和相關(guān)，而不是將天線陣的每個(gè)天線信號(hào)與一個(gè)參考天線信號(hào)以成對(duì)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(hào)，算法的復(fù)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(cè)控通信網(wǎng)，可以減少由于地球的自轉(zhuǎn)對(duì)通信產(chǎn)生的斷續(xù)影響。但是對(duì)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(cè)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(cè)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(gè)航天器、星座或編隊(duì)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(zhǎng)傳輸距離的數(shù)據(jù)通信鏈路，還可提供通信與導(dǎo)航服務(wù)。太陽(yáng)系內(nèi)的任何物質(zhì)都要受到太陽(yáng)和其他行星引力的影響，會(huì)使得衛(wèi)星偏離預(yù)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(jìn)行軌道保持，這樣就會(huì)縮短衛(wèi)星的壽命，增加網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)成本。因此，中繼衛(wèi)星的設(shè)置至關(guān)重要，可以利用太陽(yáng)系中的五個(gè)拉格朗日點(diǎn)，如圖3所示。在這些點(diǎn)附近由于受到行星和太陽(yáng)共同的引力作用而呈現(xiàn)出特殊的力學(xué)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(shí)可以充分利用這5個(gè)拉格朗日點(diǎn)。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(diǎn)，如圖3所示。當(dāng)航天器運(yùn)行至太陽(yáng)背對(duì)地球的一側(cè)，由于太陽(yáng)的遮擋造成通信中斷，此時(shí)可以利用L3和L4點(diǎn)上的中繼衛(wèi)星進(jìn)行信息轉(zhuǎn)發(fā)，從而解決斷續(xù)通信的問題。

圖3 太陽(yáng)-地球的五個(gè)拉格朗日點(diǎn)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(gè)通信網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，為空間任務(wù)提供科學(xué)數(shù)據(jù)傳遞的通信服務(wù)和導(dǎo)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(shí)延問題的研究

對(duì)于深空通信的巨大傳輸時(shí)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(shí)延造成的不利影響。比如采用航天器自主運(yùn)行技術(shù)，盡量減少對(duì)地面站的依靠，避免航天器出現(xiàn)故障時(shí)由于巨大時(shí)延導(dǎo)致解決不及時(shí)。未來隨著量子通信技術(shù)的發(fā)展有望解決巨大傳輸時(shí)延問題。

量子通信是指利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的一種新型的通訊方式。量子通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，依賴于具體的量子比特以及對(duì)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(hào)，這就是量子信號(hào)。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(cè)量。量子糾纏態(tài)是兩個(gè)或者多個(gè)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(xué)屬性，即對(duì)一個(gè)子系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果無法獨(dú)立于其它子系統(tǒng)的測(cè)量參數(shù)。它是實(shí)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(dá)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(shí)延問題。目前量子通信技術(shù)的研究理論水平要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)驗(yàn)室水平，距離實(shí)際應(yīng)用還有很大的差距，然而量子通信一旦應(yīng)用將對(duì)通信領(lǐng)域帶來巨大變革。

4 結(jié)論

嫦娥二號(hào)衛(wèi)星2010年10月1日發(fā)射升空后在38萬(wàn)公里的月球軌道開展月球探測(cè)任務(wù)；在2011年6月9日離開月球軌道飛向距離地球150萬(wàn)公里的第二拉格朗日點(diǎn)L2，并在8月25日順利到達(dá)L2，出色地完成了觀察太陽(yáng)的任務(wù)，為后續(xù)月球探測(cè)和火星探測(cè)積累經(jīng)驗(yàn)；在2012年4月15日受控飛向距離地球大約1000萬(wàn)公里深邃的太陽(yáng)系空間；2013年1月5日，剛剛成功飛越探測(cè)近地小行星的嫦娥二號(hào)衛(wèi)星，在北京航天飛行控制中心的精確控制下，突破1000萬(wàn)公里，這標(biāo)志著我國(guó)深空探測(cè)飛行控制能力得到新的躍升；2013年7月15日嫦娥二號(hào)到達(dá)距離地球5000萬(wàn)公里遠(yuǎn)的深空，成為一顆人造行星；嫦娥二號(hào)有望于2014年7月到達(dá)距離地球1億公里遠(yuǎn)，以目前狀態(tài)預(yù)計(jì)，嫦娥二號(hào)最遠(yuǎn)能夠到達(dá)距離地球3億公里遠(yuǎn)的地方。正如嫦娥二號(hào)任務(wù)一樣，人類對(duì)深空的探測(cè)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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