基于GEO星群的深空联合阵列与协作传输机理

With the trends of the globe developments on the scientific aerospace techniques and space communications, this project develops an elaborated relay-based deep space communication system standing on the space-based and earth-based joint antenna array, which fully exploits the capabilities of GEO satellite formations for collaborative signal-processing. The work will put the highlights on the theoretical informatics principle, spacecraft kinematics structure and astrodynamics mechanism, focusing on the applicative prerequisite, the intended capacity and the specified schemes of the well-designed system. By exploring the hardly-disconnected supporting capabilities of space network in the high dynamic scenarios, as in this work, we could make systematic theoretical and technical breakthroughs on the applications of the earth-space network into the deep space, and consequently address critical challenges in the way of prompting space communications. As a hopeful result, starting at the two-satellite team, the project expects to make the following improvements: obtaining 2-3dB gains with the respect of the signal-to-noise ratio and doubling almost the data rate, compared with the current single antenna system. Moreover, the project attempts to find the optimization approach of GEO formation and the scaling law of the system improvements with the quantities of the team, which could significantly provide the essential references for the Mars exploration and space-networking topology design.

本课题面向世界航天科技、空间信息科学和深空通信的发展趋势，围绕着探索基于GEO星群的深空通信系统信息传输能力界这一目标，以搭建地基-天基联合阵列为切入点，构建深空中继与协作通信系统。重点针对高动态环境下联合阵列阵元间信号传输的传播特性、适用条件和协作方法等内容开展研究，明晰基于GEO星群的地基-天基联合阵列传输机理，探索高动态、大尺度环境下空间信息网络对深空通信的时空连续支撑能力，部分解决深空通信发展所遇到的难题，实现深空环境下信息传输能力的有效提升，为深空通信、空间信息网络和分布式卫星群的发展奠定相关应用基础。本课题拟以双星编队为中继平台开展协作接收，与单天线系统相比提高深空链路的信噪比增益约3-4dB，使传输速率提高1-2倍，并确定星群编队数量与增益之间定量关系及星群优化设计方法，为我国火星探测及空间信息网络的拓扑设计、星座规划等提供参考依据。

本项目瞄准空间信息学的学科发展趋势，以空间信息网络中的GEO星群作为中继平台，联合深空地面站天线搭建地基-天基联合阵列，拓展深空通信信号接收的时空窗口，解决深空通信中面临的信号接收困难、效率低和通信时间短等难题。课题凝练的两个科学问题是：“高动态下天基-地基联合阵列的传输机理”和“阵列合成性能约束的GEO 星群运动学与动力学机制”。从卫星轨道构型、信号层面和传输层面的研究思路出发，分别进行深入研究：首先，从增强GEO星群通信稳定性出发，构建GEO卫星编队，分析摄动对编队卫星运行轨道和仰角的影响，基于此，分析摄动对卫星编队造成的多普勒频移，为协作接收提供参考；其次，通过研究阵列系统在不同尺度下的信道特性、传输方法等内容，提出了阵列信号协作接收方案，对信号的时延差和频率差进行了估计和补偿，又对残留频差造成的相位误差进行了分析，从而达到了获得高合成信噪比的目的；最后，利用无码率编码和网络编码技术，探明基于GEO星群的深空通信系统信息传输能力界，提出深空动态拓扑网络编码协作传输方案，解决了在动态拓扑结构条件下深空中继网络的多链路协作传输问题，构建基于GEO星群的深空中继与协作通信新体制，实现深空环境下信息传输能力的有效提升。项目执行期间，共发表学术论文12篇，其中5篇为SCI检索的期刊论文，标注率100%；申请国家发明专利15项；培养了硕士研究生15名，博士研究生2名，博士后2名。参与了多次国际学术会议并聘请了相关专家进行学术报告。