1、ITU-R SA.1014-1 建議書載人和無人深空研究的通信要求(1994-2006年) 范圍本建議書簡要描述了深空通信的根本特性。這些特性將影響或決定頻段的劃分、協調、共享和 干擾保護。國際電聯無線電通信全會，考慮到a) 地球與深空空間站間的通信具有獨特的需求；b) 這些要求會影響頻段劃分、共享、協調、干擾保護以及其它規那么和頻率管理問題， 建議1 深空研究及其與其它業務間的相互關系應考慮附件1 中對深空通信需求與特性的描述。附件 1載人和無人深空研究的通信要求1 引言 本附件介紹了深空研究任務的某些特性，以及在以航天器為手段開展深空研究時對通 信提出的功能與性能要求，此類任務所采用的技術

2、方法和系統參數。有關帶寬特性和要求的考慮，請參見ITU-R SA.1013建議書2通信要求深空任務要求在長時間和長距離的情況下確保高度可靠的無線電通信。例如收集有關 海王星科學數據的航天器，將歷時八年且要求在 4.65109公里的距離上提供通信效勞。由于深空研究所需無線電通信距離超長，因此地球站的等效全向輻射功率(e.i.r.p.)很高且接收機十分敏感。目前持續使用的深空無線電通信頻帶是針對一批執行中的任務以及正在規劃中的任 務。由于許多太空任務耗時幾年，且經常會同時執行假設干項任務，因此在任何時候都需要相 應地與幾個航天器進行無線電通信。此外，各項任務都有可能包括一個以上的航天器，因此有必要

3、同時與幾個空間站進行 無線電通信。另外，可能還需要協調空間站與幾個地球站同時進行無線電通信。2.1遙測要求遙測用于從深空發射維護和科學數據。為確保航天器的平安和任務的成功，必須確保在必要時能夠接收到有關航天器狀況的 維護遙測數據。這便需要一條不受天氣影響的、具備足夠容量的通信鏈路。此項要求是確定 深空研究優選頻段的決定因素之一(見ITU-R SA.1012和ITU-R SA.1013建議書)。科學遙測的內容包括發送航天器所載科學儀器收集的數據。對于特殊儀器與測量，所 需數據速率和可接受的誤碼率可能大不相同。表1中包括了科學與維護遙測的典型數據傳輸速率范圍。表1太空研究所需的比特率方向和功率鏈路

4、特性不受天氣影響正常高數據速率地對空遙控(bit/s) 計算機程序(kbit/s) 話音(kbit/s) 電視(Mbit/s) 測距(Mbit/s)空對地維護遙測(bit/s) 科學數據(kbit/s) 話音(kbit/s) 電視(Mbit/s) 測距(Mbit/s)1-1 0001-50451-418-50001 000 1-10045 0.2-12108-5001-500450.2-8101-2 0001-20045 6-1001008-2 X 10540-3 X 105456-1 000100隨著新設備和技術的出現，遙測鏈路的容量也在穩步提升。容量的上升被用于兩

5、個方 面：- 在特定星球或距離收集更多數據；并且- 將有益的探索延伸到更遠的星球。對于某特定遙測系統，可實現的最大數據速率與無線電通信距離的反平方成比例。在木星附近9.3 108公里可提供134 kbit/s數據速率的鏈路容量，在金星附近2.58 108公里可提供1.74 Mbit/s的數據速率。由于更高的數據速率需要更寬的傳輸帶寬，有效利用 最大遙測容量的能力取決于已劃分頻段的寬度，以及地球站波束寬度內并在相同頻帶內工 作同時執行任務的航天器數量。現在的編碼方式允許使用更低的信噪比，而這種編碼方法的進步是對遙測工作的一項 重要奉獻。編碼信號需要更寬的傳輸帶寬。超高數據速率使用編碼遙測可能會受

6、到劃分帶寬 的限制。2.2遙控要求遙控鏈路的主要要求是可靠性。在需要時必須能夠準確地接收到指令。通常要求遙控 鏈路的比特誤碼率不大于110®不管航天器的方向如何，甚至在主增益天線并未指向地球的情況下，也必須能夠成功地接收到指令。對于這種情況，需要使用近似全向的航天器天 線。由于航天器的天線增益低，又需要提供高可靠性，因此需要高e.i.r.p.。鑒于航天器上安裝了計算機，航天器系統的自動排序和操作根本上已經預定，并存儲 于航天器內供將來操作時使用。對于某些復雜的順序，自動操作是必要條件。為正確觀測到 航天器變化或功能失常，假設要在飛行途中改變存儲指令，那么需具備發送遙控的能力。對行程

7、很長的任務，以及排序有賴于早期航天器取得的成果的情況，這一點尤為重要。例如，航天 器路線更正指令是基于跟蹤測量且無法預先確定。表1中給出了所需指令數據速率的范圍可靠的遙控要求有可靠的維護遙測，用以驗證指令得以正確的接收且被載入指令庫。2.3跟蹤要求跟蹤可為航天器導航和無線電科學研究提供信息。2.3.1 導航導航跟蹤測量包括無線電頻率的多普勒頻移，測距信號往返所需的傳播時間，長基線 干擾測量信號的接收。測量精確度的制定必須能夠滿足導航的要求。測量精確度受下述因素 變化的影響，即傳播速度、臺站位置的信息、計時的精確性、地球站和空間站設備的電子電 路時延。表2所列例如是目前對導航精確性及相關測量的要

8、求。表2導航與跟蹤精確性的要求參數值導航精確度m300 木星多普勒測量的精確度Hz+0.0005距離測量的精確度m+0.15地球站位置的精確度m±12.3.2 無線電科學航天器電信鏈路對傳播、相對論、天體力學和重力學的研究可能亦很重要。振幅、相 位、頻率、極化和時延測量將提供所需的信息。對這些內容進行測量的時機取決于相應劃分 的可用性。在1 GHz以上，傳輸時延與法拉第旋轉帶電粒子與磁場效應隨頻率上升而迅 速下降，因此最好用較低的頻率進行研究。較高頻率受這些影響相對較小，且更適用于相對 論、重力學和天體力學的研究。對這些研究，還需要對較低頻率產生的帶電粒子效應進行校 準。這一根底科學

9、工作需要使用絕對精度可達1或2厘米的距離測量值。這一精度取決于寬帶編碼以及在對帶電粒子校準的同時使用多種頻率。2.4載人深空任務的特殊需求此類任務的功能需求與無人深空任務相似。但航天器內搭載宇航員將對遙測、遙控和 跟蹤功能提出更高的要求。在必要可靠性的根底上，載人與無人深空飛行任務的重要區別在 于，地對空和空對地無線電通信中話音與電視鏈路的使用。表1列出了這些功能的數據速率。從通信的角度看，這些額外功能所產生的影響便是要求擴大傳輸帶寬，以容納視頻信 號。在必要的鏈路可靠性和支持所需數據傳輸速率性能的根底上，載人和無人深空研究具有 相似性。3.技術特性3.1 深空地球站的位置和特性表3列出了一些

10、地球站的位置，這些地球站具備在為深空研究劃分的頻帶內工作的能表3深空地球站的位置主管部門位置緯度經度歐洲航天局塞布利洛斯(Cebreros)(西班牙)40° 27' N4° 22' W新諾卡(New Norcia )(澳大利亞)31 ° 20' S116° 11' E烏克蘭伊帕托里亞(Evpatoriya)45° 11' N33° 11' E俄羅斯梅德維奇(Medvezhi ozera)55° 52' N37° 57' E雙城子(Ussuriisk)4

11、4 ° 01' N131 ° 45' E日本臼田(Usuda)長野36° 08' N138° 22' E美國堪培拉(澳大利亞)35° 28' S148° 59' E金石(Goldstone)加利福尼亞(美國)35 ° 22' N115°51' W馬德里(西班牙)40 ° 26' N04° 17' W這些地點都有一個或多個天線、接收機和發射機，用于深空鏈路的一個或多個已劃分 頻段。表4中列出了能夠定義一個或多個電臺最高

12、性能的主要參數。盡管這些特性并非適用 于所有電臺，但根據可用的最大性能來進行頻段劃分，并制定干擾保護標準仍然至關重要。 為執行和保護國際深空任務，需要這些參數。表470米天線的深空地球站的特性頻率(GHz)天線增益(dBi)天線波束寬度(度)發射機功率(dBW)等效全向輻 射功率(e.i.r.p.) (dBW)接收系統噪聲溫 度(K)接收系統噪聲功 率譜密度(dB(W/Hz)2.1地對空62000000,1400050005611200118(1)-2.3空對地63000000,13000-25ooo21(3)000_214(2)000_215(3)ooo7.2地對空72000000,0400

13、043000115000-8.45空對地74000000,03000-37(2) 0027(3) 00213000_214 ooo32空對地83,6 0,01-83(2丿一209(2:)34.5地對空84 4)000,01 待定待定61(3)(2)_211僅在航天器發生緊急情況時使用的 56 dBW發射機功率。晴好天氣，30仰角，發射與接收同時進行的雙工模式。晴好天氣，30仰角，僅進行接收。 估計。深空地球站的接收性能通常用比特噪聲譜密度(用于給出某種特定的比特誤碼率)與 信號能量比來定義。另外一種顯示這些電臺的高性能與靈敏度的方式是天線增益與噪聲溫度 比。比值的商通常被稱為G/T,且在2.3

14、 GHz時其值約為50 dB(K -)，8.4 GHz時其值約為59.5 dB(K -)。這些值與某些衛星固定業務地球站較低的、典型值(41 dB(K-)相近。3.2 空間站航天器的尺寸和重量受發射工具有效載荷的限制。與地球站對應參數相比，空間站發 射機的功率以及天線的尺寸都受到了限制。由于通常會使用未經冷卻的前置放大器，接收機 的噪聲溫度會更高。空間站裝有一種名為轉發器的收發兩用設備，可在任意一種模式下工作。在轉向(亦 稱雙向)模式下，從地球站接收的載波信號被用于控制鎖相信號循環振蕩器。然后，根據固 定的比率，此振蕩器的頻率將被用于控制轉發器的發射頻率。在單向模式下，不會從地球站 接收到信號

15、，因此航天器發射頻率受晶體振蕩器的控制。在雙向模式下，由于從地球站接收到的信號異常精確，因此可以十分精確地控制航天 器的發射頻率及相位。表5列出了深空研究空間站典型的主要特性。表5深空研究空間站的典型特性地對空頻率(GHz)天線直徑(m)天線增益(dBi)天線波束寬度(度)接收機噪聲溫度(K)接收機噪聲譜功 率密度(dB(W/Hz)2.13.7362.61 200-987.23.7480.64390£0234.53.7610.14TBDTBD空對地頻率(GHz)天線直徑(m)天線增益(dBi)天線波束寬度(度)發射機功率(dBW)e.i.r.p.(dBW)2.33.7372.3135

16、08.453.7480.641361323.759.50.171372.5由于空間站的.受限，地球站必須裝備最敏感的接收機。如果地球站具備超高的 e.i.r.p.，那么空間站可以使用靈敏度較低的接收機。數據速率要求、尺寸、重量、本錢、復雜 程度以及可靠性方面的考慮決定了航天器接收機的噪聲溫度。空間站發射機的功率主要受航天器所能提供的電功率的限制4深空通信的方法深空通信的遙測與遙控等功能一般是通過發射調相載波實現的。多普勒跟蹤是根據已 接收載波的相位相干檢測。通過在調制中參加測距信號，那么可以實施測距功能。4.1 載波跟蹤和多普勒測量地面接收到的、由航天器發射的信號頻率受到了多普勒效應的影響。測

17、量多普勒頻移 的方法，以及航天器的對地速度，將通過載波相位跟蹤來實現。地球和空間站接收機將利用 鎖相環和科斯塔斯環跟蹤載波信號。使用雙向轉發器模式時，空間站鎖相環中的頻率和相位 確定一個或多個空對地頻率。這將為與地對空頻率相關的地球站提供信號，以便實現精確的 多普勒測量。在單向模式中，空對地頻率取自轉發器中的振蕩器，且多普勒測量是基于對振蕩頻率 的先驗知識。4.2 調制和解調無線電鏈路使用射頻載波的相位調制。基帶數字數據信號用于調制子載波，然后再用 此子載波來調制射頻的載波。方波子載波通常用于遙測；對于遙控，子載波一般為正弦形 態。通過對調制指數進行調整，提供所需的殘載波功率與數據邊帶功率比。

18、人們選用這一比 率來提供最正確的載波跟蹤和接收機數據檢測。射頻RF載波和數據子載波解調是通過鎖相環PLL來實現的。數據檢測通常使用相關性及相應的濾波技術。載人任務的電視與話音鏈路可使用其它調制解調技術。通常，在這些情況下會使用寬 帶效率的偏移四相移相鍵控QPSK和高斯濾波最小頻移鍵控GMSK 調制解調，其中載波跟蹤是通過科斯塔斯環而非 PLL實施。4.3 編碼在數字通信鏈路中，如果增加信息帶寬，那么可降低誤碼概率。編碼通過特殊的方式將 所有數據比特轉換成數量更大的編碼符號，以增加信息帶寬。有些編碼類型的例如采用了塊 編碼和卷積碼。傳輸完成之后，可通過與編碼類型相匹配的解碼流程將原數據恢復。編碼

19、傳 輸的性能優勢在于其帶寬更寬，其范圍從 3.8 dB 卷積碼，比特誤碼率1 10-至9 dB以上 為增強編碼turbo coding速率的1/6。4.4 復用科學與維護遙測的內容可通過時分復用的方式并入一條數字數據流內；亦可將其置于 為提供組合調制信號而增加的、獨立的子載波上。此外，還可以與遙測或遙控一起添加測距 信號。通過對不同數據信號振幅進行調整，在載波與信息邊帶之間適當地分配發射機功率。4.5 測距測距工作是利用雙向模式空間站轉發器，通過地球站進行的。地對空信號的測距調制 將在轉發器中復原，并用于調制空對地載波。在地球站，通過發射與接收測距碼的比照，將 得出與距離相應的傳輸時延測量結果

20、。測距精度的一個根本限制便是測量發射與接收編碼間時間相關性的能力。目前正在使 用的系統采用了最高編碼頻率，即2062 MHz。假設信噪比足夠的情況下，編碼時間段為0.485七，且已經實現了 4 ns的分辨度。對于雙向路徑長度，這一分辨度相當于120 cm，范圍為60 cm。這能夠滿足表2對目前導航精確性的要求。對于未來無線電科學試驗所需的1 cm精確度見第段，至少需要30 MHz的編碼 頻率。4.6天線增益和指向對于深空研究中通常使用的拋物線天線，其最大增益受到天線外表與拋物線近似精度 的限制。后一種限制將對可能會被某種天線有效使用的、最大頻率產生限制。無論是對地球站天線還是空間站天線而言，制

21、造精度均是外表精確度的一項因素。對 于地球站天線，新產生的外表變形均是受風和熱的影響。鑒于仰角不同，根據支撐結構硬度 的差異，重力會使外表發生變形。對于空間站天線，其尺寸受到可用質量、發射機可用空間、現有可伸展天線制造技術 的限制。熱效應會造成空間站天線外表的變形。天線最大可用增益受到其精確指向能力的限制。波束的寬度須允許指向時產生角度的 不確定性。造成反射面變形的所有因素亦會影響指向的精確性。航天器高度控制系統通常 受能夠承載的推進器數量的限制的精確性是空間站天線指向的要素之一。地球站和空間站對對方位置了解的精度，會影響最小可用波束寬度和最大可用增益 表6所示為天線性能的典型限制。表6目前對

22、精確度和最大天線增益的限制限制參數空間站天線地球站天線參數的典型最大值最大增益參數的典型最大值最大增益拋物面的精確度0.24 mm r.m.s.,3.7 m的拋物面100 GHz 為 66 dBi 0.53 mm r.m.s.,70 m拋物面37 GHz 為83 dBi 指向的精確度+0.15 °3c)55 dBi ±0.005 (30)75 dBi(2)其它頻率的增益更低。半功率波束天線的增益是指向精確度的2倍。更高增益天線的波束寬度對指向精度而言過窄4.7 其它無線電導航技術多普勒和測距的測量結果將為導航提供根本的跟蹤信息。人們還為提高導航的精度開 發了其它技術。4.7

23、.1 帶電粒子對傳播速度影響的校準測距與多普勒測量的結果會受到無線電波傳播速率變化的影響，而這種變化是因傳輸 路徑上自由電子造成的。電子在太空及星球大氣層中的密度不同，且在太陽附近密度最大。 假設未采取相應措施，此類傳播速度上的變化會導致導航計算的誤差帶電粒子會加快相速度并降低組速度。將距離變化與集成多普勒進行比擬，一段時間 后，便可以確定帶電粒子所產生的影響。對傳播速度的影響與無線電頻率的平方成反比。這 種頻率的相關性可用于提高校準的精度。轉向測距與多普勒跟蹤可在兩個或更多獨立頻段 內，利用同時產生的空對地信號實施。各個頻段帶電粒子產生的影響，以及這一差異被用于 提高校準的精度。帶電粒子效應

24、及其對測距結果的影響，請參見 ITU-R SA.1012 建議書。4.7.2 甚長基線干預測量 (VLBI)航天器導航的精確性取決于對導航協調系統中地球站位置的準確了解。假設臺站位置 存在3 m的誤差，在地球與土星這種長度的距離上可能會導致700 km的航天器位置計算誤差。使用天體射電源(類星體)，以天體空間中根本保持不變的一點作為信號源，VLBI 可提供一種能夠提高臺站位置評估水平的方法。類星體信號的記錄方法，能夠以很高的精度來 確定兩個相距很遠臺站的接收時間差。通過假設干種測量，臺站位置的相對精度可達10 cm。目前2和8 GHz附近的頻率用于VLBI。VLBI 技術還直接用于測量航天器傾

25、斜角。存在大南 /北距離的、準確定位的地球站能夠 用于測量與航天器的距離。此后，便可以精確地計算傾斜角。第三次應用 VLBI 法，可用于提高航天器角度位置測量的精度。兩個或多個地球站將對 航天器信號和類星體信號進行輪換觀測。在時間、臺站位置和地球旋轉對接收到的信號 影響的情況下，根據天體的參照，可以確定航天器的角位置。開發完成后，這些技術將大幅 提高目前 0.01弧秒的精確度。精度的提高使更精確的導航成為可能。5 性能分析和設計余量表7所示為性能分析所用的鏈路預算。下文中的例如為來自木星的高速率遙測。人們還 針對遙控和測距進行了類似分析。上文所述地球站和空間站的特性是計算各種通信功能性能 余量的根底。