2018年中国空间技术研究院神舟学院的“深空探测技术概论”课程已经讲解过半，学生们针对载人深空探测任务进行了创新性设计构想，现摘录一些学生的优秀作业与读者分享。（注：已经作者授权。）学生们结合自己所学的专业进行了思考，他们的认识或许稚嫩，或许不成熟，但都代表了他们对未来的思考，还请同道中人留言点评指导。
作者：刘伟 ，中国空间技术研究院通信卫星事业部在读硕士研究生
摘要：针对深空探测中通信技术存在的问题，提出了关于深空探测通信技术的一些设想。建立深空探测分层通信网，共两层，即骨干网和端域。在骨干网中，提出了中继站的概念，在进行通信转发同时还可以对载人深空探测进行中转、补给等。然后，对深空探测通信网的通信体制（协议、调制、编码等）、通信媒介（激光通信和量子通信等）进行了探讨。同时，提出应增加自主性设计，可以同人工智能（Artificial Intelligence，AI）结合进行研究，推动设计的智能化。在深空探测中，建立分层通信网络的体制、设计适用的空间通信协议、采用诸如激光通信等的通信媒介是未来值得研究的方向。
关键词：深空探测 深空分层通信网 空间通信协议 人工智能
Innovative Ideas of Communication Technology in Deep Space Exploration
Liu Wei
ABSTRACT：In view of the problems in the communication in deep space exploration, some ideas on deep space communication technologies are proposed. Set up a deep space exploration layered communication network with two layers: the backbone network and the stub domain. In the backbone network, the concept of relay station was proposed, which can transfer communication and carry out transit and replenishment for manned deep space exploration. Then, it was discussed that the system (protocol, modulation, coding, etc.) and media (laser communication, quantum communication, etc.) in deep space exploration communication network. At the same time, proposing that autonomy design should be added and research could be combined with Artificial Intelligence(AI) to promote the intelligent design. In deep space exploration, establishing a hierarchical communication network system, designing a suitable space communication protocol, and adopting a communication medium such as laser communication are the directions worth studying in the future.
Key words: deep space exploration、deep space layered communication network、space communication protocol、Artificial Intelligence
1 引言
随着航天技术与空间科学的飞速发展，人类认识宇宙的范围也越来越广。开展深空探测，探索更深更远更广阔的太空，已经成为人类航天活动的重要部分和未来发展方向。
关于深空探测的定义，目前存在不同的说法。ITU 把深空探测定义为对 200万公里以外的天体或空间环境进行的探测；还有一种说法是对月球及其以远的天体或空间开展的探测活动；也有把脱离地球引力场，进入太阳系空间或宇宙空间进行的探测成为深空探测。[1]这里采用第二种定义。
在深空探测中，通信技术是至关重要的。通信系统的上行链路肩负着传输指令信息、遥控信息、跟踪导航信息、姿态和轨道控制等关键任务；下行链路也被用来传输实验数据、文件、图像、遥测数据等信息。所以，在整个深空探测的规划和设计中，通信系统是一个重要的地基设计。
本文先介绍目前深空探测通信中存在的难题。再按照通信系统中自顶而下的层次结构去介绍本人的一些设想：先是关于深空探测分层通信网的设计；接着对通信体制中的协议、调制、编码、检测等进行了讨论；再对通信媒介进行说明，主要有激光通信和量子通信；然后是关于自主性和人工智能的一些结合。最后是全文的总结。
2 深空探测通信中存在的难题[2]
在深空探测中因为通信距离的不断增大，路径损耗也不断增大。比如，冥王星到地球的损耗大约是 106 dB。同时这也带来了传输时延的不断增大，长达几十分钟甚至是数小时的量级，且变化较快，这给导航定位带来了巨大的困难。
与此同时，宇宙空间环境复杂，太阳风和各种粒子射线对信道环境影响很大。由于航天器的体积和重量的限制，对天线的选择有限制，这就造成了收发信道不对称，接发信息速率不对称，有时只有单向信道。对存储器也有限制，会造成数据、图像等信息的损失甚至丢失。
以上说明，传统的通信方式对深空探测的适用性较差，不能满足其在任务中的高精度导航定位、实时测控等重要功能。
3 一些关键技术设想
3.1 深空探测分层通信网
以各个行星为节点，建立深空探测分层通信网。类似地球上地面的因特网和空中的铱星系统组合而成的一体化全覆盖的网络搬到星际之间。这个网络是通信和导航一体化的。 深空探测通信网络在层次上大致可以分为 2 层。顶层也就是骨干网。每个行星有一个到多个航天器进入骨干网节点。除此之外，还要有些中继航天器也是骨干网节点。骨干网节点之间都是直接或者间接相连的，每个骨干网节点通过一跳或者多跳之后，总能在任何时间同其他节点进行通信。因此，在每个行星体系内的骨干网节点，必须保证全天候至少有一个节点可以和外界进行通信。第二层，端域。每个行星体系自身组成一个端域，能保证这个端域内是全天候全覆盖的通信。同时，端域中有些重要节点也是骨干网节点，这样整个深空通信的分层网络就全部连通了。同时，一些距离相对较近且通信频繁的节点可以跨端域连接，即直接建立端域节点到另一个端域的节点的链路，这样可以提高通信的效率。以地球为例，地球空中全覆盖的铱星系统和地面的互联网可以组成地球的端域，在地 球这个端域内，可以全天候全地形的通信。同时，铱星系统中有些卫星同时又是骨干网中的节点，和其他骨干网节点相连接。在月球附近就可以放中继航天器来进行通信。然后将完整的端域体系在其他行星也建立起来。
在这个体系中，骨干网节点是很重要的，关系到整个网络的连通性能，其可靠性要高于端域节点。当航天器在进行深空探测的时候，如果其位置处于某个端域之中，则可以同端域中的任何一个子节点进行通信，然后，这个子节点再将其信息转发出去，通过分层通信网络将其转发到其目的地。如果航天器不处于任何一个端域中，那么它就直接同骨干网节点进行通信，直接通过骨干网来进行转发。
对于骨干网节点，有一个地方值得注意，就是骨干网节点不是传统意义上的中继卫星，而是一些中继站，其功能类似空间站和中继卫星的结合。其具有对通信进行转发的功能，同时它又是载人空间站。在进行载人深空探测时，航天员可以中途进入中继站，进行休息、等待窗口时间到来、进行必需的资源补给和推进剂补给等，甚至在深空探测中出现危险时，其还可以作为一个逃生的紧急避难所，是一个综合型的太空基地。中继站中的能量补给可以从最近的端域体系中进行补给，这就需要原位资源的开发和利用。
3.2 通信体制的设定
第一个就是 3.1 中提到的通信网络协议的选择。传统的 TCP/IP 协议在深空 探测通信网络中并不适用，可以使用选择等待型的 CFDP 协议，同时引入延迟容 忍网络（DTN）。[3]在 DTN 中，LTP 协议是用来解决长延时和中断等问题，可以提供基于重传的可靠数据传输，也可以提供不可靠传输。其数据分成红块和绿块两部分，进行区别传输，红块的优先级高于绿块。在 LTP 中可以加入定时器的设计方案。
在调制方面，可以使用 CPM，其信号有恒定的包络，可以充分利用功率放大器的效率。在编码方面，可以使用改进的 Turbo 码或者 LDPC 码。[4]将线性拟合 Log-Map 算法和先进的二次置换多项式交织器结合，这样 Turbo 码的编译码 方法性能优良，且计算量较少。LDPC 码可以使用 APSO-EXIT 度分布算法。Turbo 码和 LDPC 码都是在 3G 和 4G 通信中经过实践证明是性能出色的码型，对其进行改进后，可以用在深空探测通信网络中。同时，也可以将其他码型和这两种码型级联，来克服不同码型的缺点。
在深空探测通信中，因为距离遥远，所以到达接收端的信号的信噪比比较低，所以微弱信号接收检测的方法也很关键。[4]可以采用二维捕获方案，并行捕获下行信号的多普勒频率和多普勒频率变化率。[5] 对于探测器而言，传感器等电子学设计也是关键之一。[6]电子器件的可靠性需要保证，否则上面的一切设想都是空谈。同时，器件的继承性也应该关注。
3.3 通信媒介的选择[7][8][9][10][11][12][13][14]
在每个端域内，可以使用传统的通信频道进行通信，比如星地之间使用 Ka 频段，S 频段等，同时也可以尝试使用 X 频段。在骨干网节点之间，可以采用激光通信或者是量子通信。
激光通信容量较大，适合在深空探测中使用。NASA 曾进行过月球激光通信演示验证（LLCD），其可以提供高达 622Mb/s 数据率的下行链路和高达 20Mb/s 数据率的上行链路。下面来看看激光通信一些问题。在激光信号的识别上，希望可以在宇宙背景噪声下，可以快速的识别出来有用的信号。同时，希望对误码率有所控制，有研究表明，跟瞄误差控制在 15μrad 范围内，每个时间间隙的背景光子数控制在 20 以下时，误码率可以达到
。星间激光通信存在链路信号传输有效时间较短的问题，可以采用双向激光链路跟踪稳定。跟踪参数对链路的稳定性影响非常大，必须进行充分的优化。控制参数的选择应根据不同节点的运动情况而定。
量子通信也可以使用。量子无法克隆，所以可以使用量子通信在节点间进行保密通信；具有无限真实性，通过传递量子态作为载体可以传输信息。同时量子运动的非连续性提供了超光速的可能性，其可以实现时延与距离无关，做到线路延时为 0，实现真正的实时通信。也不存在电磁辐射污染。或许，量子通信是最适合深空探测通信的手段之一了。 3.4 自动导航和人工智能（AI）
在 3.1 中提到，深空探测分层通信网是一个通信和导航一体化的网络，在完成通信系统的同时也完成了导航工作。但是为了提高深空探测的可靠性，预防突发情况的发生，自动导航也应该在深空探测中被采用。在行星着陆的过程中，自主导航非常关键。[15]将自主导航和分层通信网的测控结合起来，将会更精确更可靠的完成任务。也可以利用天文自主导航技术。[16] 同时现在的人工智能发展火热，应该将人工智能加入到深空探测中去，可以是对深空探测器输入大量算法来模拟目标行星的各类环境，让探测器自己去判断所处的条件并做出相应的调整。总之，智能化是重要的。
4 结论与展望
本文提出了对深空探测中通信技术的一些创新性设想。在大的框架上，可以建立深空探测分层通信网，其包含骨干网和端域两层。并对其中的通信体制、通信媒介进行了说明，同时提出应将人工智能加入到深空探测中去，让设计更加智能化。在骨干网中，提出了中间站的概念，类似于中继卫星和空间站结合的一种太空基地，为航天员提供中转、补给，同时进行通信的中继。深空探测中问题仍然有很多，需要大家去探索，不仅仅是通信，还有轨道、原位资源等技术都是十分重要的。与此同时，应该关注一些经济上的问题，比如 可以利用新的材料或者推进技术等去节约成本。[17]
参考文献
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