面向深空探测的通信理论及关键技术

为保障未来地月距离以外的深空探测任务顺利实施，考虑到深空环境的大时延、大衰减特点，本课题围绕着深空通信的基础理论与关键技术，依托未来星际互联网的基本框架，以火星探测任务为背景，结合探月工程二、三期，从提高点对点链路的通信效能出发，研究微弱信号检测及信道编码与传输协议的联合优化设计。在此基础上，基于分段中继设想，研究分布式天线组阵、协作信号检测与协作编码等理论与关键技术，重点解决大时延与大衰落条件下的可靠通信问题，探求构想中星际互联网络节点位置分布对链路可靠性的影响机理，为我国未来深空星际互联网的星座规划设计、网络基础设施构建以及深空探测计划提供一定的参考依据，为我国空间信息学和航天科学的未来发展提供战略性预测和有价值的参考建议。

本课题针对深空通信中大损耗、大时延难题，以火星探测任务为背景，引入分段中继的思想，从“提高单链路技术的性能增益”、“基于多链路合作的理论与技术”两个方面，开展深空通信的基础理论与关键技术研究。课题凝练的两个科学问题是：“深空弱链路信息的可靠传输”和“IPN框架下分布式协同通信”。并从信号层面、信道层面和协议层面的研究思路出发，分别进行深入研究：首先，从提高点对点链路的通信效能出发，研究微弱信号检测、信道编码与传输协议的联合优化设计，增强点对点链路可靠性；在此基础上，基于分段中继设想，研究分布式天线组阵、协作信号检测与分布式协作编码等通信理论与关键技术，并开展地面仿真实验。取得具有代表性的研究进展和主要成果有：.针对点对点链路提出了基于LDPC译码辅助的参数估计与迭代解调的译码方法，使得接收机工作门限降低至-5dB以下，并已应用于探月工程项目；在喷泉编码方案设计上，提出了短码长喷泉编、译码优化算法，在极低冗余下获得了最大似然译码性能；并设计级联码、系统码进一步降低了译码开销；基于喷泉编码和传输协议的研究成果设计了基于数据包交织的PI-CFDP文件传输协议，在地-火点对点通信链路下，可将传输吞吐量提高一倍以上；基于深空分段中继链路的思想，设计了新型的中继CFDP协议，并分析验证了部分具有实践价值的中继节点（拉格朗日点），可减少3~10 a.u.的文件传输时延，提高10%以上的链路效率。综合上述成果，并通过对传输时延和链路效率，编码开销与通信距离，存储空间、计算能力和编码处理算法等相关参数模型的分析，给出了在特定约束条件下，部分可用中继位置与系统增益的定量关系，可为我国深空通信的星座规划设计、网络基础设施构建以及深空探测计划提供一定的参考依据，为我国空间信息学和航天科学的未来发展提供战略性预测和有价值的参考建议。.项目执行期间，共发表学术论文82篇，其中32篇为SCI检索的期刊论文，标注率100%；申请国家发明专利30项，其中授权5项；培养了硕士研究生45名，博士研究生14名，博士后3名，获得了鹏城学者特聘教授计划。参与了6次国际学术会议并聘请了相关专家进行学术报告。