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细数深空通信与移动通信的三大不同
撰写时间:2019-1-16 文章作者: 文章来源:学习大使

      近期随着中国嫦娥四号的顺利落月以及美国的新视野号访问遥远的太阳系内天体,我们对太空的好奇又被激发了。在这其中,航天器与地球的通信扮演了关键的角色,这种通信称为深空通信。

    深空通信,真正发挥了跨越时空交流的作用。这些航天器的工作,也因为有了深空通信能传回地球,才显示出了意义。

    深空通信与我们日常使用并且熟悉的移动通信都属于无线通信一族,那么两者到底相不相同呢?

    其实,深空通信,与移动通信大不相同,千万不能生搬硬套。

    不过,还是有些人搞不清楚,我就曾经看过有人把移动通信的特点当成是深空通信的特点,混为一谈。接下来,我就讲讲深空通信与移动通信到底有什么不同。

    最大的不同:决定因素分别是噪声与干扰

    深空通信是噪声受限的系统,通信时主要需要克服噪声的影响;而移动通信是干扰受限的系统,通信时主要需要克服干扰的影响。

    关于噪声以及干扰,下面这篇文章已经写得很清楚了:通信中的噪声与干扰。

    如何抑制噪声,看这篇文章:如何抑制通信中的噪声

    因此,深空通信利用超低温接收来抑制噪声;移动通信利用正交来对抗干扰。

    其次的不同:深空通信中地面天线越大越好

    这是因为航天器的距离实在太远,信号的路径损耗甚至可以超过300dB,非常吓人。

    这时,深空通信只能靠更大直径的天线来接收微弱信号了,利用更大的天线增益来对抗路径损耗。

    深空通信通常使用抛物面天线,其增益计算公式如下:

    不难看出,天线的增益与天线直径的平方成正比。比如我国佳木斯的66米直径的抛物面天线,增益可以是70dBi以上,比移动通信网络中常用天线的增益高50多dB。

    当然,考虑到天线的转动,单个天线的直径是有限度的,66米差不多就是极限了。

    为了补偿更大的路径损耗,在深空通信中还可以把多个天线组合起来,构成天线阵列,这样等效直径可以提升,当然这就要求天线之间需要精确同步。

    至于移动通信,由于覆盖范围有限,显然天线不需要这么夸张。

    最后的不同:深空通信中工作频段越高,通信距离越远

    这一点跟我们在移动通信系统中得到的经验是完全相反。

    大家知道,在移动通信网络中,载波频率越高,其传播损耗越高,因此同等功率下载波的传播范围越小。这也是为什么1GHz以下频段被称为黄金频段,广电700M频段被通信人念念不忘的原因。

    但是,深空通信情况大不相同,虽然载波频率越高传播损耗还是越高,但是由于深空通信普遍采用抛物面天线,其增益与载波波长的平方成反比,也就是载波频率越高,天线的增益越大。

    由于发射方天线增益的抬升就已经抵消了传播损耗的抬升,更别说接收方还使用了抛物面天线。

    因此,如果地面站和航天器都使用抛物面天线的话,载波频率越高,同等功率下载波传播的范围越大,通信距离越远。

    由于这个原因,深空通信的工作频段越来越高,从S波段(2GHz)到X波段(8GHz)再扩展到Ka波段(26GHz以上)。

    当然,航天器上使用抛物面天线也不是十拿九稳的,伽利略号上硕大的抛物面天线就没能正常打开。

    因此,为了预防万一,航天器上都会配备多组不同的天线。

    总结:深空通信的关键技术

    1. 超低温接收

    2. 更大的天线,或者采用更大的天线阵列

    3. 更高的工作频段