深空通信中的电波传播特性研究

论文摘要

深空通信通常指地球上的实体与离开地球卫星轨道进入太阳系的飞行器之间的通信,通信距离达几十万公里以上。无线电波从遥远外太空传回地面的过程中,经历了深空空间和近空空间的复杂环境,各种影响因素对无线电波和通信接收机造成影响,这些影响因素的干扰机理不同,其影响的效果也不同。基于深空通信过程中,无线电波传播环境的复杂性,采用模型仿真的方法,对深空通信过程中影响无线电波传播的各种因素进行探讨,定性的分析其影响机理并并定量的求出其影响的程度大小,在此基础上,求出某个频段的深空通信的链路性能,并估计其余量,为深空通信探测器以及地球站设计提供依据。首先,根据地球自转、公转以及火星绕日公转,求出火星和地球站在某一个时刻在地心赤道坐标系中的坐标,火星相对于地球站的距离、仰角和自由空间传播损耗。分析了基于火星探测的深空通信链路间断可通的特点,仿真得到了行星相对于地球空间站的相对可见时间分布以及某一瞬时的自由空间传播损耗。其次,从近空环境和深空环境两个方面,分析了深空通信过程中对无线电波传播造成影响的因素。近空环境中讨论了水蒸汽吸收效应、氧气吸收效应、降雨衰减、云层衰减以及电离层的吸收和去极化效应,并指出了降雨衰减和云层衰减是大气层中影响深空通信频段无线电波传播的主要因素。深空环境中讨论了太阳闪烁造成的信号衰减、太阳噪声、月球噪声和宇宙背景噪声,并指出了太阳闪烁和太阳噪声是深空环境中影响无线电波传播的主要因素。最后,结合自由空间传播损耗、近空环境影响和深空环境影响,对X频段和Ka频段深空通信链路进行分析和设计。讨论了探测器和地球空间站的配置参数,分析了不考虑太阳影响时X频段深空通信链路的性能和余量,以及考虑太阳影响时X频段和Ka频段深空通信链路的性能和余量。认为Ka频段比X频段拥有更好的抗干扰能力和链路性能,并可以在余量允许的范围内,适当的提高码速率,获得更好的通信性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 深空通信电波传播理论
• 2.1 深空通信面临的特殊困难
• 2.2 深空通信频率选择原则
• 2.3 深空通信影响电波传播的因素
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于火星探测的深空通信链路间断可见性分析
• 3.1 引言
• 3.2 基于火星探测的相对可见时间分布模型
• 3.2.1 基本原理
• 3.2.2 火星位置的计算
• 3.2.3 地球站位置的计算
• 3.2.4 仰角、距离及损耗的计算
• 3.3 模型仿真结果与分析
• 3.3.1 相对可见时间分布仿真结果
• 3.3.2 距离与损耗变化仿真结果
• 3.3.3 最大损耗与最小损耗估计
• 3.3.4 仰角的变化仿真结果
• 3.4 本章小结
• 第4章 近空与深空环境影响因素分析
• 4.1 近空环境对无线电波的影响
• 4.1.1 大气的吸收效应
• 4.1.2 降水的吸收效应
• 4.1.3 电离层的影响
• 4.2 深空环境对无线电波的影响
• 4.2.1 太阳闪烁造成的无线电波的衰减
• 4.2.2 地外噪声影响
• 4.3 本章小结
• 第5章 深空通信链路设计
• 5.1 探测器配置
• 5.2 地球站配置
• 5.3 深空通信链路设计与估计
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢