前言

未来，人类将逐步实现对太阳系各大行星系统、小行星带以及太阳系边缘的探测，这些新的探测任务对行星际通信的服务质量提出了更高的要求。针对超远距离、超长时间、探测器发射功率受限等因素对行星际通信能力带来的制约，本书围绕行星际探测任务信息传输性能优化目标，以火星探测任务为背景，主要包含以下内容。

(1) 在行星际骨干网络扩容优化方面，本书针对现有地火（指地球火星，后同）通信网络拓扑结构设计中存在的骨干节点间通信链路超距特性、高速中继双层模型节点数庞大且构型单一等问题，提出了一种基于距离约束的太阳系公转轨道数据中继星座方案，构造了二维极坐标系下太阳系公转轨道星座结构化时变图，给出了不同优化目标下公转轨道中继星座的网络拓扑结构与端到端多跳中继链路通信容量边界。与目前的通信链路相比，本书所构造的多跳中继网络能提供全时段通信链路，可显著提升端到端信息传输容量，火星上合期间具有不低于8dB的性能增益。

(2) 在地外天体接入链路智能接入方面，本书首先针对现有火星中继通信技术存在的多用户接入缺乏公平性问题，提出了一种基于多属性决策的火星表面多用户接入优化方法，构造了“多漏桶+令牌桶”的分布式串行数据调度结构，设计了基于队列均衡的比例公平调度算法，该算法在公平性、吞吐量、队列均衡性等方面的综合性能与现有算法相比至少提升15%； 其次，针对CCSDS近距无线链路协议存在的火星表面用户终端无法智能选择接入轨道器的问题，提出了一种基于改进双寡头博弈的多轨道器接入优选算法，可提高用户在近距无线链路方向的接入选择性，该算法单位系统功耗下信息传输容量较现有算法提高29%； 最后，针对地外天体接入链路资源配置缺乏全局性的问题，提出了一种基于接入偏好的多车多星双边匹配方法，通过少量操作即可获得稳定匹配结果，并能达到现有方法的性能上界。

(3) 在地外天体表面设施高效传输方面，本书针对巡视器平台遥测与航天员生理遥测数据冗余度较大的问题，以及现有无损压缩算法压缩率提升难度较大、未对不同参数进行分类处理等不足，提出了一种基于在轨自学习的遥测数据弹性传输方法，该方法可提高空间链路无线信道利用率且单参数压缩率较现有方法可提高25倍。

本书第1章介绍了行星际通信的发展历程、现状与面临的挑战及主流解决方案； 第2章给出了行星际网络的体系结构设计； 第3、4、5章分别从行星际骨干网络、地外天体接入链路、地外天体表面设施三个层面系统性地给出了行星际网络信息传输性能提升方法； 第6章总结了本书的主要内容，明确了后续工作方向，并对行星际网络未来发展规划进行了展望。本书各章内容主要是在万鹏攻读博士学位期间研究工作的基础上，结合工作后的实际工程应用背景进行撰写。

在本书撰写过程中得到了北京跟踪与通信技术研究所各位同事的大力支持，包括李海涛研究员及其创新团队成员黄磊助理研究员等提供的技术支持，在此表示感谢； 同时对清华大学出版社程洋编辑、戚亚编辑在本书出版过程中的热情支持和认真审校表示感谢。

本书涉及行星际探测信息传输前沿领域诸多学科与技术，加之笔者水平有限，疏漏谬误之处在所难免，不妥之处诚请读者不吝斧正。

作者

2022年6月