空间通信方式的优劣势分析.docx

空间激光通信与其他空间通信方式的优劣势分析（一）空间通信的形式空间通信有三种形式：1．空间站与地球站之间的通信2．空间站之间的通信 3．地球站相互间通过空间站转发进行的通信所谓空间站是指地球大气层以外的飞行体（如低轨卫星、同步卫星、航天飞 机等）上面和其它天体（如月球）上面所设的通讯站：地球站包括陆地、水和大 气层中的通信站注：【图示说明】（二）空间通信的方式目前空间通信主要采用无线电波实现空间信息传送的目的，但是随着人类生 产、生活的需要，信息传送量大幅增长，现有空间通信的方式无法满足日益增长 的通信需求经过全世界近30 年的努力，无线光通信和量子通信方式因其通信 的大容量、远距离、高速率、安全性等优势，被认为是未来空间通信最好的补充1、无线电波通信1） 微波空间通信2） VHF （甚高频）和UHF （特高频）通信2、 激光通信3、 量子通信（三）空间通信方式的优劣势分析1、无线电波通信在空间通信中的优劣势分析1） 微波微波通信使用波长为1m至0.1mm （频率为0.3GHz〜3THz ）的电磁波进 行的通信包括地面微波接力通信、对流层散射通信、卫星通信、空间通信 及工作于微波波段的移动通信。

微波通信具有可用频带宽、通信容量大、传 输损失小、抗干扰能力强等特点1）优势分析：① 通信频带宽，传输信息容量大微波通信专用频段近300GHZ，长波、中波、短波段合计30MHZ② 通信稳定、可靠当通信频率高于 100MHz 时，工业干扰、天电干扰及太阳黑子的活 动对其影响小，因此、微波通信较稳定和可靠2）劣势分析：① 传输距离有限 由于微波的频率极高，波长又很短，在介质中的传播特性是直线前 进，遇到阻挡就被反射或被阻断，所以只能进行视距内传输，远距 离传输需要通过中继接力的方式完成通信② 频段使用被约束 在空间传输时，当相同的方向出现相同频率的微波信号会形成相互 干扰，所以一个频段的使用需要得到国际电信联盟（ITU）及国家 无线电管理部门的授权③ 天线尺寸大、功耗高微波传输会受到空间辐射、远距离能量衰减等因素的影响，需要信 息传送两端天线的大功率发射和接收才能保证信息的有效传递① 相同波段间的干扰 空间通信过程中（星地或星间），根据轨道（距离）的不同，存在 多种通信波段（包括 L、S、C、K、Ku、Ka 等），而相同波段间的 干扰，就会影响通信质量目前深空探测主要手段就是提升天线增 益、提高通信频率、降低噪声，而想要提升天线增益，要么加大天 线面积，要么增加天线数量，这都会加大航天器本身的负担。

2） VHF 和 UHF 优劣势分析： 利用超短波频段的无线电波传送信息的无线电通信超短波波段的波长 范围为10~1m,对应的频率范围为30~300MHz,为甚高频（VHF）频段，故又 叫甚高频通信超短波传播主要靠空间波直线传播，对电离层较短波有透射 和散射能力，同时又具备短波的绕射能力，但随着波长的缩短，绕射能力越 来越微弱超短波通信利用视距传播方式，比短波天波传播方式稳定性高， 受季节和昼夜变化的影响小天线可用尺寸小、结构简单、增益较高的定向天 线这样，可用功率较小的发射机频率较高，频带较宽，能用于多路通信调 制方式通常用调频，可以得到较高的信噪比UHF在自由空间传输功耗损耗低，信号穿透性极强被广泛应用于军事领 域由于频率很高，其表面波衰减很快，传播距离很近，通信距离限制在视 线距离内，通信容量低，信号增益低、信道衰弱严重2、激光通信在空间通信中的优劣势分析空间激光通信与微波空间通信相比，波长比微波波长明显短，具有高度 的相干性和空间定向性，这决定了空间激光通信具有通信容量大、重量轻、 功耗和体积小、保密性高、建造和维护经费低等优点1）优势分析：① 大通信容量： 激光的频率比微波高3-4个数量级，作为通信的载波有更大的利用频带。

光纤通信技术可以移植到空间通信中来，目前光纤通信每束波束光波的 数据率可达 40Gb／s 以上，并且可采用波分复用技术使通信容量上升几 十倍② 低功耗： 激光的发散角很小，能量高度集中，落在接收机望远镜天线上的功率密 度高，发射机的发射功率可大大降低，功耗相对较低③ 体积小、重量轻： 由于空间激光通信的能量利用率高，使得发射机及其供电系统的重量减 轻由于激光的波长短，在同样的发散角和接收视场角要求下，发射和 接收望远镜的口径都可以减小④ 高数据率、保密性 激光具有高度的定向性，发射波束纤细，激光的束散角通常在毫弧度且 高速传输等，这使激光通信具有高度的保密性，可有效地提高抗干扰、 防窃听的能力⑤ 空间激光通信具有较低的建造经费和维护经费⑥ 无需授权执照(2)劣势分析：① 大气传输对空间通信的影响 激光在大气层内传播时会受到大气吸收、散射、湍流等影响，会造成对 空间激光通信的通信速率、误码率、传输距离等性能的负面影响② APT 技术过于复杂 激光通信发射波束很窄，这为其带来很多优点，但同时发射波束窄又在 技术上造成巨大困难相距很远的两颗卫星之间存在相互的高速运动， 并且由卫星本身的振动可造成发射光束的抖动，这种情况下将通信发射 光束准确地瞄准、照射并锁定在接收端卫星上是有相当难度的。

③ 空间背景光源的干扰 这些背景光主要来源于太阳、月亮、金星、地球和其他星球的辐射、反 射，各背景光源的辐射强度不同，频谱分布不同，对接收机所成的张角 也不同当接收机视场角包含的噪声源不同时，接收机受到的影响也不 同④ 空间激光通信终端的相对运动会导致频移终端之间有相对运动轨道之间的链路(IOL) 上两颗卫星之间有相对 运动，会使激光产生多普勒频移，频移量大小为±10GHz，频率变化速 率为±13MHz/s,这对于通信的调制/解调方案会产生较大的影响⑤ 链路组网和广播通信较难 射频通信的束角较大、覆盖面较广，易于穿越复杂的空间环境，可灵活 的组成点、线结合的通信网激光通信具有束散角小和方向性强的特点， 也意味着它较为适合点对点之间的通信，对于复杂的链路组网和广播通 信较难实现3、量子通信在空间通信中的优劣势分析 从信息学的角度，量子通信是利用量子力学的基本原理(如：量子态不 可克隆原理和量子态的测量塌缩性质等)或者利用量子态隐形传输等量子系 统的特有属性，以及量子测量的方法来完成空间中两点之间的信息传递较 传统的无线电通信有绝对的安全性、高传输效率、抗干扰能力等特性(1)优势分析：① 具有极高的安全性和保密性 根据量子不可克隆定理，量子信息一经检测就会产生不可还原的改变， 如果量子信息在传输中途被窃取，接收者必定能发现。

量子通信没有电 磁辐射，第三方无法进行无线监听或探测② 时效性高、传输速度快 量子通信的时延近乎为零，量子信道的信息效率相对于经典信道信息效 率高几十倍，并且量子信息传递的过程没有障碍，传输速度快③ 抗干扰性能强 量子通信时的信息传输与传播媒介无关，不受空间环境的影响具有良好 的抗干扰性能同等条件下，获得可靠通信所需的信噪比比传统通信手 段低 30~40dB④ 传输能力强， 量子通信与传播媒介无关，传输不会被任何障碍阻隔，量子通信的其中 一种方式隐形传态，还能穿越大气层，既可在太空中通信，又可在海底 通信，还可在光纤等介质中通信2) 劣势分析：① 远距离通信困难 由于量子态的不可克隆性和塌缩性导致量子通信无法实现远距离 中继 通信② 空间噪声干扰 通信过程中，当所有量子密码协议的噪声干扰与空间中噪声类似的情况 下，两端的通信无法建立4、空间通信方式性能对比性能无线电空间通信空间激光通信空间量子通信VHF无线电通信UHF无线电通信微波通信通信容量小小大超大超大传输频带窄窄宽极宽无限传输距离近远远远无限频段授权nn、皆有有有无无四）结 安全稳定性低低低高高功耗低高高低低发展现状成熟成熟成熟空地、空空验证阶段地面验证阶段论阶段而言、无线电空间通信技术因其成熟的技术、完整的产业结构和广泛的应用环境， 在自由空间范围内的通信优势极为明显，可以适用于复杂的通信场景。

但随着人 类对通信效率要求的提高，无线电空间通信在传输距离、通信容量、安全稳定等 方面的劣迹凸显反之、处于空间论证阶段和各国投入巨资研究的空间激光通信 技术及量子通信技术可以最大化的解决上述问题随着通信技术的发展，各空间 通信技术短期内的应用仍无法完全替代，实现单一通信方式传送空间信息未来 的空间通信，将会是多种通信方式并存，发挥各自的优势，进而实现空间范围高 效、安全、便捷通信的目的。