外太空執行任務的航天器怎麼跟地球通信? | 知乎問答精選

 

A-A+

外太空執行任務的航天器怎麼跟地球通信?

2018年07月03日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 3 ℃ 次

【知乎用戶的回答(45票)】:

謝邀,這個問題太大,論文都很難涵蓋全,寫本書到挺合適。

不存在在不同軌道上都通用且快速有效的雙向通信方式,這個原因異常簡單,天線的增益是有方向的,地面站也是固定在地球的某個位置上,衛星的天線也不會一直指向地球,通常能用於通信的窗口是非常短的。

而且不同的軌道上使用的波段也不同,根據不同的衛星要求,從L、S、C、K、Ku、Ka波段的通信都存在。

現在的衛星通信基本上有三種,第一種是衛星之間的通信,第二種是星地之間直接通信,第三種通過中繼衛星實現的星地通信,三種各自有適用的範圍。

早期的深空探測器,比如旅行者一號:

中間的白色「鍋」就是用來和地球通信的天線,直徑3.7m,在衛星裡已經算大了,然後在地球上放了一個37m的天線作為接收天線,通信波段是C波段(當年C段還沒現在這麼擠),這種方式只能等到天線對準地球的時候發射才能有效果,但所幸太空中信道質量相對來說還不錯。中間的白色「鍋」就是用來和地球通信的天線,直徑3.7m,在衛星裡已經算大了,然後在地球上放了一個37m的天線作為接收天線,通信波段是C波段(當年C段還沒現在這麼擠),這種方式只能等到天線對準地球的時候發射才能有效果,但所幸太空中信道質量相對來說還不錯。

後來美國發射了火星探測車到火星,用探測車直接回傳數據比較困難,於是美國利用在火星軌道上的奧德賽衛星作為中繼,將信號傳回地面,這就是第三種方式。

這種應用在地球軌道上也有,統稱數據中繼衛星,比如美國的TDRS,中國的天鏈,日本的DRTS,蘇聯也有,宇宙XXXX(記不得了……),這類衛星中有相當一部分未公開的是軍用的,查不到數據。

這種衛星是通過接受高頻段的衛星信號然後本地恢復,放大,傳回地球,一般會幾顆衛星形成星座覆蓋全球,這是比較接近通用的星地通信方式,但是經過中繼,效率就很難保證,而且這種系統目前兼容別國系統還比較麻煩,未來有IPoS的計劃,但短期還沒執行。這種衛星是通過接受高頻段的衛星信號然後本地恢復,放大,傳回地球,一般會幾顆衛星形成星座覆蓋全球,這是比較接近通用的星地通信方式,但是經過中繼,效率就很難保證,而且這種系統目前兼容別國系統還比較麻煩,未來有IPoS的計劃,但短期還沒執行。

而且星載設備因為對抗輻射要求較高,而且衛星能提供的功率有限,和地面設備的性能相比還差一些,但由於太空中的信道質量非常穩定,可以用較高的載頻點對點傳輸數據。

沒有數據中繼衛星之前,NASA使用了STDN網絡配合地球站和部分測量船、測量飛機實地航天通信,理論上STDN實現良好通信要在全球布站,所以後來NASA選擇了衛星中繼。

後來有人(NASA)提出了自己的宇航通信的架構:

在通信協議方面,和平常協議的差別還是比較大的,宇航通信目前還停留在比較接近通信網而不是IP網絡的階段,地面的骨幹網絡數據層多半還是ATM,以及DVB和HDLC等協議,網絡層根據情況,近空一般是IP,深空是基於SCPS的一種協議,傳輸層類似,近地使用TCP,深空使用SCPS-TP,應用層協議和平常的差不多,FTP、SMTP等都有。這部分可以參考CCSDS。

> public.ccsds.org/defaul

調製技術需要根據當時的科技能力、具體的系統需求來決定,早年間的調製方式以BPSK和QPSK為主,今年來以QAM和MSK技術為主,多載波通信技術目前是MQAM-OFDM為主,現在需求比較大的近地寬帶衛星通信一般也會採用MIMO技術,基本上現代移動通信中遇到的問題在衛星通信中都會出現,有些問題(比如雨衰)還會更嚴重一些。

【xyli的回答(2票)】:

跟航天器通信主要工作是遙測、遙控、通信,簡稱TT&C。行內通稱為測控。

測控主要通過大功率天線(長得很像雷達)與航天器進行信號傳遞。中低軌測控一般的天線就可以了。 探月屬於深空探測第一步,所以也納入深空探測。現在深空探測主要手段就是增加天線增益、提高通信頻率、降低噪聲。增加增益除了通過增大天線面積外還可以通過天線組網來達到小天線大增益的目的。提高頻率就是由c波段升到s波段,再升到x波段,最高是ka波段,更高的國內還沒有。另外最近還有光學設備可以對航天器進行測軌。

由於每個天線的覆蓋範圍有限需要在全球布站,實在不能布站(比如被美帝炸了),還有遠洋測量船進行彌補。總之我國的覆蓋率還很低,基本到了地球對面就沒有測控站了。現在又有了中繼衛星測控。中繼衛星一般位於地球同步軌道,對航天器的信號中繼後轉發回地面測控站。北斗(也屬於中繼衛星一種)的作用是對中低軌衛星進行遙測。中繼衛星對測控船的替代作用很強,可以減少科研人員的工作任務,減少出海次數,並極大提高測控覆蓋率。

通信的制式有標準TTC,拓頻TTC…

【張拯寧的回答(1票)】:

這個問題回答起來有心無力,因為我給研究生開一門課,叫做《航天器通信》,正在寫一本同名的書。

@Norman Karma 的回答挺不錯,對於想簡單瞭解的朋友足夠了。

建議真正有興趣的話,去買一本衛星通信的教材來看。

簡單回答一下思路:

首先要區分通信,航天器與地面的通信一般分為遙測遙控通信和數據通信兩種,具體的實現方式和體制差別較大。

其次要區分航天器:近地軌道的遙感衛星、高軌的通信廣播衛星、深空探測器,由於任務不同,和地球的距離不同,通信方式和實現上差別也很大。

其實說白了和地球上的無線電通信差不多,只不過把收發信息的一段搬到了太空中,要解決的問題就是距離特別遠、航天器功率一般不會太大、地球大氣層對無線電的吸收效應、延遲長等等特殊的問題。

【俞楊的回答(0票)】:

外太空執行任務的航天器怎麼跟地球通信?這個問題範圍太大了。

在太空通信最難的問題就是距離太遠,接收到的信號功率太弱。太空輻射很強,信號的信噪比太低。根據香濃定律,通信速率很低。通信距離從幾千公理到幾個天文距離。具體不同,應用不同,選用的方式就不一樣。

最近看了一點衛星激光通信的東西。激光通信是未來太空通信的一個趨勢之一。電磁波在傳播的過程中,難以避免發散的問題。可以看到波長越大,發散問題越嚴重,目標接收到的信號越弱。所以激光的波長段,光束髮散小,相對而言接收到的信號強一點。

【馬學鋒的回答(0票)】:

外太空的通信真心的不瞭解,不過大概知道一點,都是高頻電磁波,高增益的定向天線實現信息的交換,電磁波速度很快,電波的速度30萬公里每秒,距離幾百萬公里才一二十秒鐘就傳回來了,可以實現交互通信

標籤:-通信 -飛行器 -太空探索


相關資源:





給我留言