深空通信之信噪比预估及定时同步科技研究

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1、深空通信之信噪比预估及定时同步科技研究第一章绪论1.1课题研究背景与意义外层空间(Outerspace)定义为：超过地球的稠密大气层之外的空间范围，简称为空间(Space)或外空也称为太空，ITU-T将离地球200万公里(含)以外的太空界定为深空[1]。深空通信是相对于近空通信而言，近空通信是在地球轨道上运行的航天器与地球实体二者之间的通信，通信距离仅为数百至数万公里；深空通信则是指进入太阳系的航天器与地球上的实体之间的通信，通常通信距离范围从几十万至几十亿公里不等。在当今世界，深空探测领域是人类研究太空、宇宙、生命等的主要手段之一[2]，这一领域代表

2、了一个国家和民族的综合实力，代表了本国科学技技术的发展水平：从科学角度看，深空探测研究的是人类最根本和最前沿的问题宇宙和生命的起源，发展的是尖端技术，引领其他技术的进步和革新，并将移民其他星体(如火星、月球)的梦想变为现实；从政治和军事上看，深空探测争取的是领先地位和在国际上对太空事物的话语权，美国、欧洲、俄罗斯等国家都分别在深空探测这一领域的活跃，都制定了详细的月球的长远发展计划。可以预见，深空探测已经成为世界航天的重要发展方向，21世纪人类对火星和月球的开发利用将成为深空探测的重点。进入2l世纪以后，美国航空航天局制立了多项对深空领域的探测任务：新

3、疆界计划和旗舰计划等[3]。此外，在2010年奥巴马宣布在小行星和火星的探测上进一步的计划，达到载人探测的目的。苏联早期在深空探测活动的成功率较低，深空探测上的发展曾一度停滞，近年来俄罗斯在深空探测中的活动有恢复的趋势，主要关注火星、金星和木星等的探测计划；欧洲空间局近年在深空探测领域的发展势头逐渐强劲，开始了较大规模的深空探测活动，通过各成员国的努力，重新回到科技巅峰，在一些领域上赶上并超过美国，并且系统地提出了明确的计划：曙光计划(2033年前)、地平线2000+(2011～2015)和宇宙愿景计划(2015～2025)等；日本在深空探测领域除了实

4、施水星木星等探测计划，准备于2014年发射贝皮?哥伦布，同时将关注更多的小行星任务；近年来，印度等国不断增加与其他国家航天技术的交流与学习，对深空探测的能力也逐渐增强。我国在深空探测领域的研究和活动正渐渐步入正轨，并取得了一定的成绩，在以前研究的基础上并制定了新的发展方向。国务院颁布的白皮书中，曾提到了近十年我国探测的计划，主要以对月球的研究和探测为主，并逐步实现了这一计划。2002年公布的《国家产业技术政策》，在涉及重点产业技术发展方向中指出：中国航空航天领域将深空探测活动作为的未来的重点发展方向，载人航天工程和应用卫星的顺利进行之后，中国在深空探测

5、领域的发展和研究已成为必然的趋势[4]。深空探测是一个国家科技水平和综合实力的重要体现之一，是中国航天领域发展的必经之路。我国在40余年的航天工程实践中，大力提高了开展深空探测活动所需的技术设施、基础和人才储备等，同时中国也正在走向深空探索的道路上。在顺利发射人造地球卫星和实现载人航天梦想之后，成功发射嫦娥月球探测飞船，是中国航天领域的第三个标志性的里程碑。与俄罗斯合作的中俄联合探测火星项目，中国的探测卫星萤火一号将实现中国首次对地外行星空间环境进行探测活动，是一次具有实际意义的深空探测研究。深空通信的任务：航天器通过下行链路（从航天器至地球站，也称遥

6、测链路）回传航天器在深空所获取的信息。为实施对航天器的控制与引导，需要经上行链路（也称遥控链路）向航天器传送跟踪和指令信息。深空通信由于其特殊的应用场景和实际的探测任务，导致了其独有的特点：通信传输的距离极其遥远，传输时延之大；在数据传输中较高的误比特率；深空探测和通信系统的全天候工作需求；复杂的通信环境；工作频率高；对探测器要求严格等。为了解决深空通信中特殊的问题，对应的有许多重要技术有待深入研究：具有较高灵敏度的接收系统的实现；极低信噪比下的最佳信道编码和调制方案；跟踪、控制技术；NASA的深空网(DSN，DeepSpaceNetation）、SS

7、ME(SpiltSymbolMomentsEstimator)、高阶统计量信噪分离等方法。由于利用了已知的导频信息，得到无误判决，性能比较好，但是却降低了信息的传输率和系统的频谱利用效率，因此在突发通信中由于频谱利用率较高，或是无法得到已知序列等时，基于数据辅助的估计方法的使用会受到限制。由于非数据辅助的盲信噪比估计方法可以节约带宽资源，不降低系统容量，使用范围较广，成为很多学者目前研究的重点。研究较多的主要有基于最大似然的估计方法[9]、基于统计量的矩方法[10]、基于子空间的方法[12]、以及SNV(SquaredSignal-to-NoiseVa

8、riance)、SVR(Signal-to-VariationRatio(SVR)Estima