毫米波论文_左元_final_v2

月地毫米波通信系统SA13006060 左元摘要在航天工程中，通信系统是维系人类和航天器的纽带，是进行宇宙探索活动必不可少的环节。

一个稳定而高速的通信系统一方面可以保证航天任务的顺利进行，另一方面为科学研究提供了宝贵的数据。

由于毫米具有波长极短、穿透电离层的透射特性、频带宽等特点，毫米波通信系统适合用于地月之间长距离的通信，适应大容量数据传输的需要。

本文针对地月通信信道的一些特点，从频谱选择、调制方式选择、信道编码、链路预算、天线技术、通信协议作了总体规划，设计了一个针对大容量图像数据快速回传的地月毫米波通信系统。

同时指出，未来深空通信将向激光通信发展。

关键词：深空通信，毫米波通信系统，嫦娥登月工程，激光通信目录月地毫米波通信系统 (1)摘要 (1)1. 引言 (3)2. 探月工程的现状 (3)2.1 探月一期工程 (3)2.2 探月二期工程 (4)2.3 探月三期工程 (4)3. 地月通信的特点 (4)3.1 通信距离远 (4)3.2 大时延和时延抖动 (4)3.3 观测时间受限 (5)3.4 功率、重量、尺寸等的限制 (5)4. 地月毫米波通信系统 (5)4.1 总体设计 (5)4.2 数据源 (6)4.3 频段选择与多址方式 (6)4.4 链路预算 (7)4.5 天线设计 (7)4.6 调制方式 (8)4.7 信源编码 (8)4.8 信道编码 (8)4.9 通信协议 (9)4.10 服务与应用场景 (9)5. 展望 (9)6. 结束语 (10)7. 参考文献 (10)1.引言上个世纪50年代以来，以美国和前苏联为主导的探月活动开始实施，但大多以失败告终。

1958年先驱者0号和月球1A号等相继发射，但是大多以失败告终。

进入21世纪以来，我们对探索宇宙，发展空间技术的热情高涨。

美国发射了勇气号和机遇号火星车登陆火星，“卡西尼”号飞船成功进入土星轨道并且释放惠更斯号探测器。

深空探测越来越成为全球关注的焦点[1]。

我国的月球探测规划是上世纪90年代开始提出的，1991年时任“863”计划航天领域首席科学家的闵桂荣院士提出了中国也要搞月球卫星的建议，并成立了“863”月球探测课题组。

1993年，国防科工委组织专家论证，利用一枚长征系列试验火箭发射一颗人造物体硬着陆（撞击）月球。

由于该设想的科学目标不明确，加之经费需求过多而夭折。

直到1994年，以欧阳志远为代表的科研人员完成了第一个较完整的月球探测可行性报告，开启了探月工程征程[1]。

通信系统是维系人类和航天器的纽带，是进行宇宙探索活动必不可少的环节。

航天通信系统的基本要求是高可靠性，同时又希望能将数据及时和高速的传输。

然而，由于地月之间距离遥远，传输数据缓慢，导致采集到的图像信息，不能及时有效地回传到地面。

嫦娥一号和二号都是，先在航天器内部存储图像数据，然后再发送回来。

由于毫米波通信的优势，本文重点关注通过毫米波的传输可靠性和有效性问题，提高传输速度。

2.探月工程的现状2.1 探月一期工程我国的月球探测规划是上个世纪90年代开始提出的。

当时成立了“863月球探测课题组”进行论证。

2004年开始实施探月一期工程。

研制嫦娥一号月球探测器，并于2007年10月发射成功。

2007年11月13号发布了“嫦娥一号”卫星所拍摄制作的第一幅全月球影像图。

2009年3月1日完成使命，撞向月球与定地点[2]。

嫦娥一号卫星有四个主要任务[3][4]：1．获取月球表面高精度三维立体影像，精细划分月球表面的基本构造和地貌单元等。

2．分析月球表面钛铁等有开发利用价值的14种元素含量和物质类型的分布特点。

3．探测月壤特征与厚度。

4．探测地月空间环境。

嫦娥一号卫星分有九个分系统：有效载荷，结构分系统，热控分系统，GNC分系统，推进分系统，供配电分系统，数据管理分系统，测控数传分系统，定向天线分系统。

嫦娥一号完成了三期工程“绕落回”中的第一步，成功实现了绕月飞行、硬着陆[5]。

嫦娥二号已经于2010年成功发射，截止到2013年11月26日，嫦娥二号已经距离地球超过6000万公里，正奔向更远的深空。

作为“绕”步的第二颗卫星，嫦娥二号试验了X频段深空探测技术，初步验证深空测控体制，对之后的嫦娥三号和深空探测做了铺垫。

2.2 探月二期工程二期工程是“绕落回”三部曲的第二步。

月球探测二期工程既是一期工程的延伸又是跨越，也是三期工程的必要基础，具有承上启下的重要作用。

它以突破月球探测相关技术并获得高精度的科学探测数据为目的。

掌握开展深空探测所需的一系列关键技术，推动对月球科学研究的进一步深化，获得一批自主创新的月球科研成果，建立起较为完善配套的深空欧诺个探测研究、设计、生产、试验和应用体系，并培养一支高素质的人才队伍。

科学目标为：月表形貌与地质构造调查，月表物质成分和资源勘探，月球内部结构研究，日地月空间环境探测与月基天文观测。

技术目标为：突破月面软着落技术和月面巡视技术等一系列关键技术，研制和发射月球软着陆探测器，月面巡视探测器和轨道探测器，建立基本配套的月球探测航天工程系统。

2013年12月2日，长征三号乙运载火箭又成功发射了“嫦娥三号”[6]，此次成功实现了软着陆、月球车，成功开启了三步走的第二步。

2.3 探月三期工程我国的月球探测三期工程计划在2017年前后向月球发射探测器，并实现无人月球采样返回，对月球探测的三期工程和后续深空探测的目标而言，如何将无人采样返回与未来火星探测和载人登月有机结合，以及具体实施的时机和方式，还需要进一步的广泛而深入地探讨和论证[7]。

3.地月通信的特点3.1 通信距离远月球距离地球的最远距离为40.55万千米，是地球同步通信卫星距离的11倍，通信路径损耗[L]=92+20logf+20logd以Ka波段为例，不考虑天线增益，L=234dB，比卫星通信链路的空间损耗增加21分贝。

这就是在相同的发射功率条件下，地面接收到的月球探测器的信号强度，比地球同步轨道卫星信号减弱了127倍。

弥补距离损失，增加接收信号的能力，提高探测灵敏度，是探月面临的主要难题。

3.2 大时延和时延抖动由于月地距离远，导致信号延迟比较大，影响系统吞吐率和通信的实时性。

以地月最远距离计算，单程通信延迟为1.35s。

对于可靠性通信而言，将直接影响通信系统的吞吐率，因为每个数据包发送之后，受到应答时间至少超过2.7s。

另外，这种大延迟对时实时通信也造成很大的困难。

更为严重的是，受天体运动的影响，链路的时延会随时间缓慢变化。

3.3 观测时间受限理论上一座测控站每天只能连续观测8小时。

我国经度跨度是62度，纬度跨度是52度。

因而在我国国土上只能进行10多个小时。

除了使用海上测量船以外，还需要国际深空测量站的支持。

如果再考虑到通信仰角对建立链路的影响，则可以通信的时间更少。

3.4 功率、重量、尺寸等的限制原则上来讲，我们可以提高功率来提高信噪比。

比如功率提高一倍，那么信噪比也就高一倍，接收端要求的天线数目和天线尺寸都可以降低。

但是，对于发射到月球上去的探测器，它的重量是受到发射能力限制的，而且由于是太阳能供电，电量也会制约功率的提高，因而通过发射功率的提高来实现速度的提高的方案是有影响的。

4. 地月毫米波通信系统4.1 总体设计总体设计图如下，系统分为两个部分，空间分系统和地面通信分系统。

通信过程中，指令和数据是共用同一个通信系统，通过对频带划分，即频分复用FDM ，来划分指令和数据信道。

飞行数据分系统指令处理分系统设备工作状态数据科研数据指令调制解调分系统射频分系统多工器Ka 波段接收机X 波段接收机Ka 波段发射机X 波段发射机LDPC 解码LDPC 编码调度与控制中心空间分系统地面通信分系统预计实现的目标是能支持高速的图像和语音传输，同时支持指令的无差错传输。

具体指4.2 数据源月地通信系统交换的信息通常包括遥控指令、科学数据、工程数据和图像数据。

其中遥控指令是控制航天器运行的关键信息，虽然量少，但是需要以相当高的准确性和及时性送达。

科学数据是指从航天器上安装的仪器所获得的有关探测对象的信息，这些数据为中等容量而极有价值，要求准确传送。

工程数据是报告航天器上的仪器、仪表和系统状态的信息，容量甚低，仅要求中等质量的传送。

图像数据是大容量，信息的冗余较大，要求中等质量的传送。

因此，系统需要对传送的数据赋予不同的优先级。

4.3 频段选择与多址方式下表给出各波段的国际惯例命名，目前在深空通信领域中，用得最多的是S波段X波段以及Ka波段。

举例而言，嫦娥一号和嫦娥二号主要以S波段作为通信的频段，嫦娥二号还尝试使用了X波段进行通信，而刚刚发射的嫦娥三号仅使用X波段。

本设计采用8.4G的X波段以及34G的Ka波段进行同行，其中8.4G的X波段用于指令等重要的数据的传输，这是因为目前我国地月通信系统中X波段已被检验并在嫦娥三号中广发使用过，因此稳健性有保障。

34G的Ka波段主要用于支持对准确性要求不是特别高但是需要高速传输的通信业务，比如图像、语音和视频等业务。

为了实现多址接入，可以采用SC-FDMA单载波频分多址，以实现不同业务或用户的接入。

4.4 链路预算费里斯传输方程在通信链路的分析和设计中有着十分重要的应用。

传输方程可以说明收发天线均相互处于远场区时，发射天线的增益、接收天线增益、发射功率、接收功率以及发射功率和接收天线之间的距离的相互关系。

对于极化匹配的收发天线，当发射天线的最大辐射方向和接收天线的最大接收方向相一致时，基本传输方程用下式表示P R=P R G T G R(λ4πR)2用分贝表示，即为[P R]=[P R]+[G T]+[G R]−[L s]对于我们的方案，做了如下参数设定。

1)为了尽可能多的携带科学实验的有效载荷，航天器发射功率一般为20W，即[P T]=13dbW2)航天器的天线直径一般也不大，我们的方案设为1m，假定效率可以达到0.6，那么天线发射增益G T=η(πDλ)2，对于X波段G T=46417对于Ka波段G T=59157，即[G T]=36.67dB（x波段），[G T]=47.72dB（Ka波段）。

3)地面接收天线为了接收到较大的信号，天线越大越好，但是也受一些其他因素的限制。

在嫦娥三号中使用的是中科院、上海市政府和中国探月工程共同出资建造的65米口径的射电望远镜[12]，选取D=65m。

因此，天线的接受益为G R(πDλ)2为[G R]=72.92dB（X波段），[G R]=89.98dB（Ka波段）。

4)空间损耗[Ls]=92+20logf+20logd，f的单位是GHz，d的单位是KM，因此d=405000(KM)，计算得[Ls]=222dB（X波段），[Ls]=234dB（Ka波段）。

5)接收功率[P R]=[P T]+ [G T]+ [G R]-[Ls]，计算得[P R]=-92.4dBW（X波段），[P R]=-83.3dBW（Ka波段）4.5 天线设计为了解决深空通信中信号极大衰减的问题. 早期的深空探测采用了加大接收发射天线口径和增加发射功率等手段。