【摘要】：深空探測是在人造衛(wèi)星、載人航天、月球探測等領域取得重大成就的基礎上,向更廣闊的太陽系及太陽系外的空間發(fā)展和探索的空間活動,分布式組網(wǎng)探測是深空探測的重要發(fā)展趨勢之一。由于通信距離遠、信號能量衰減嚴重、信噪比極低、鏈路環(huán)境復雜,導致深空信道中存在大尺度衰落、長時延、間歇性中斷的物理特性。而現(xiàn)有的空間通信協(xié)議,大多源自于地面通信網(wǎng)絡協(xié)議的衍生或改造,在深空組網(wǎng)信道中的應用存在數(shù)據(jù)吞吐量低、鏈路擁塞嚴重等問題。因此,在分布式組網(wǎng)探測任務中,空間通信協(xié)議的部署和設計必須首先研究其賴以依存的物理信道特性。本文對深空組網(wǎng)通信場景下,深空信道衰落特性對空間通信協(xié)議的影響進行研究,目的是從信號傳輸?shù)奈锢憝h(huán)境入手,探索深空組網(wǎng)通信協(xié)議的部署方法,解決現(xiàn)有空間協(xié)議在深空通信場景中應用的吞吐量低、鏈路擁塞等關鍵技術(shù)問題,為協(xié)議的規(guī)劃和設計提供借鑒。課題研究內(nèi)容主要包括:(1)基于電磁波信號傳輸?shù)纳羁胀ㄐ艌鼍?分析了深空信道固有的衰落特性、間歇性中斷特性、長時延特性及其對信號傳輸?shù)挠绊?重點對太陽閃爍、大氣衰落、大尺度自由空間損耗對信號傳輸所造成的幅度衰落、頻譜擴展、相位閃爍進行計算分析和仿真。(2)為了降低太陽閃爍對信號傳輸?shù)挠绊?提出了一種適用于星際通信鏈路的參數(shù)設計方法。該方法根據(jù)通信鏈路與太陽的幾何關系,計算太陽風中等離子體作用于無線電波的幅度統(tǒng)計特性、時間譜特性,將計算結(jié)果作為通信鏈路的頻率選擇、傳輸信號帶寬設計、調(diào)制方式選擇、鎖相環(huán)路帶寬設計的約束條件。(3)分析了現(xiàn)有空間協(xié)議的模型及各部分實現(xiàn)功能,深入剖析了TCP/IP協(xié)議、CCSDS協(xié)議、DTN協(xié)議的發(fā)展趨勢及其在深空組網(wǎng)通信場景中應用的不足之處。(4)對深空信道特性對現(xiàn)有空間協(xié)議的影響進行了研究,仿真分析了誤碼率對協(xié)議吞吐量的影響、長延時對協(xié)議握手機制的影響、中斷對協(xié)議重傳機制的影響。(5)以火星通信場景為例,構(gòu)建了地-火組網(wǎng)協(xié)議架構(gòu),建立了基于STK-ION-CORE的虛擬仿真平臺,對誤碼率、時延、中斷三種特征對TCP協(xié)議、LTP協(xié)議、SCPS-TP協(xié)議的通信性能影響情況進行了仿真分析,提出了按照地球基站-中繼星、中繼星-火星軌道器、火星軌道器-火星基站分段進行空間通信協(xié)議部署的方法,并對分段協(xié)議的性能進行了仿真分析。本課題的創(chuàng)新點包括:1)針對深空通信鏈路中信道衰落特性對空間通信協(xié)議的吞吐量、鏈路連接影響問題,提出了一種分段進行協(xié)議部署的方法,從物理層入手解決空間組網(wǎng)協(xié)議部署中的可靠鏈接問題,為上層空間協(xié)議的設計奠定了理論基礎。2)在對太陽閃爍對無線電波的傳輸產(chǎn)生的幅度衰落、譜擴展、相位閃爍現(xiàn)象進行理論分析的基礎上,基于其對S、X、Ka頻段通信信號的影響程度仿真結(jié)果,提出了一種太陽閃爍影響下的星際通信鏈路參數(shù)設計方法,可作為深空通信鏈路參數(shù)設計的依據(jù)。3)針對空間組網(wǎng)中多種異構(gòu)協(xié)議共存的問題,提出了一種空間鏈路協(xié)議盲識別的方法,可解決非協(xié)作目標協(xié)議特征的識別和認知問題,為空間組網(wǎng)中異構(gòu)協(xié)議的融合應用提供了借鑒。最后,對課題進一步的研究方向進行了總結(jié)和展望。
【圖文】：

圖 1. 1 IPN 概念 年，NASA 噴氣推進實驗室（JPL）的 Vint Cerf 開始了關于lanetary Internet, IPN）的研究[17, 18]，概念如圖 1.1 所示，目的是統(tǒng)咨詢委員會(CCSDS)在空間通信標準化方面的工作成技術(shù)相結(jié)合，為建立空——地一體的新網(wǎng)絡進行技術(shù)方面的探索，將空間信息網(wǎng)絡分成兩種類型：低延時網(wǎng)絡和長延時網(wǎng)絡。署基于 TCP/IP 協(xié)議的互聯(lián)網(wǎng)絡，同時建立能夠適應較長延時干網(wǎng)，創(chuàng)建低延時與高延時環(huán)境的中繼網(wǎng)關來連接這些分散的在這種探索中被建立起來的。所以說，DTN 網(wǎng)絡的最初設計的組成部分，其存儲轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)構(gòu)是為了應對極長的時延和間歇性 年，美國開始實施 OMNI 試驗計劃（Operating Mission as No[19, 20]，該項目擬采用地面商用 IP 協(xié)議實現(xiàn)空間通信，并于 20

圖 1. 2 NASASCaN 網(wǎng)絡通信體系2006 年，NASA 下屬機構(gòu)——空間通信與導航辦公室 SCaN(SpaceCommunications and Navigation)[23]對其擁有的空間通信及定位的相關資產(chǎn)及基礎設施進行統(tǒng)一管理和系統(tǒng)集成，整合近地網(wǎng)絡(the Near Earth Network, NEN)、空間網(wǎng)絡(the Space Network, SN)和深空網(wǎng)絡 (the Deep Space Network, DSN)，至2026 年的發(fā)展規(guī)劃如圖 1.2 所示[24]，目標是實現(xiàn)一個高度集成的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，為位于整個太陽系內(nèi)的空間飛行任務提供通信與導航服務，，包括數(shù)據(jù)收發(fā)、跟蹤、定位和授時。按照計劃，2019 年近地網(wǎng)絡中的用戶終端通信速率將達到 200Gbps。歐洲衛(wèi)星通信綜合倡議組織（Integral Satcom Initiative, ISI）從 2009 年開始研究開發(fā)名為“面向全球通信的綜合空間基礎設施”（ISICOM）[25]，即天基綜合全球通信網(wǎng)，通信介質(zhì)采用微波和激光鏈路相結(jié)合的方式，其目標是建立一個基于 IP 的通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)大容量空間信息傳輸。該天基網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖1.3。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院國家空間科學中心)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN927

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本文編號：2594047