2025年大學(xué)《空間科學(xué)與技術(shù)》專業(yè)題庫——星際導(dǎo)航系統(tǒng)與衛(wèi)星通信考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項(xiàng)字母填在題干后的括號內(nèi)）1.與地面GNSS系統(tǒng)相比，星際導(dǎo)航系統(tǒng)面臨的主要挑戰(zhàn)之一是（）。A.信號發(fā)射功率需要極大增強(qiáng)B.星際距離極其遙遠(yuǎn)導(dǎo)致信號傳播時(shí)延顯著增大C.衛(wèi)星星座需要覆蓋整個(gè)太陽系D.用戶終端必須具備極高的抗干擾能力2.在基于載波相位差分的星際導(dǎo)航定位中，為了消除整周模糊度，常用的方法是（）。A.基于星載原子鐘的高精度時(shí)間同步B.偽距觀測值的組合C.參考站技術(shù)與模型修正D.動態(tài)模型輔助的模糊度解算算法3.衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)多個(gè)用戶共享同一頻段資源，常用的多址接入技術(shù)是（）。A.頻分多址（FDMA）B.時(shí)分多址（TDMA）C.碼分多址（CDMA）D.以上都是4.下列哪種干擾對衛(wèi)星通信信號的影響最為嚴(yán)重，且通常與降雨強(qiáng)度和頻率密切相關(guān)？（）A.雜波干擾B.背景噪聲干擾C.多徑干擾D.雨衰干擾5.在深空探測任務(wù)中，實(shí)現(xiàn)星際導(dǎo)航自主性的關(guān)鍵在于（）。A.依賴地球測控站的高頻仰角觀測B.星間激光測距技術(shù)的高精度C.航天器具備在軌進(jìn)行軌道確定和時(shí)鐘校正的能力D.使用與地面同步的高精度原子鐘6.衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，采用低軌道衛(wèi)星（LEO）的主要優(yōu)勢之一是（）。A.信號傳播時(shí)延小，通信實(shí)時(shí)性好B.覆蓋范圍廣，一次覆蓋地球表面大部分區(qū)域C.星間鏈路距離短，易于實(shí)現(xiàn)高速率通信D.系統(tǒng)建設(shè)成本相對較低7.以下哪種技術(shù)不屬于衛(wèi)星通信信號處理中的抗干擾技術(shù)？（）A.自適應(yīng)濾波B.擴(kuò)頻通信C.正交頻分復(fù)用（OFDM）D.智能天線技術(shù)8.在星際導(dǎo)航中，利用星基增強(qiáng)系統(tǒng)（SBAS）的主要目的是（）。A.直接提供星際定位服務(wù)B.通過地球軌道導(dǎo)航衛(wèi)星增強(qiáng)導(dǎo)航信號質(zhì)量和覆蓋C.實(shí)現(xiàn)深空探測器的自主時(shí)間同步D.提供星間測距基準(zhǔn)9.衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，調(diào)制方式的選取主要取決于（）。A.星上處理器的計(jì)算能力B.頻譜資源的可用性及信道帶寬C.用戶終端的尺寸和功耗D.星座的軌道高度10.下列哪個(gè)參數(shù)是衡量衛(wèi)星通信系統(tǒng)通信容量的關(guān)鍵指標(biāo)？（）A.信號發(fā)射功率B.通信距離C.頻譜利用率（頻帶效率）D.天線增益二、填空題（每空1分，共15分。請將答案填在題干橫線上）1.星際導(dǎo)航系統(tǒng)通常需要解決的主要誤差來源包括大氣延遲、軌道誤差和______誤差。2.衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，為了保證信號傳輸?shù)目煽啃?，除了調(diào)制和解調(diào)，通常還需要采用______技術(shù)。3.與FDMA、TDMA相比，CDMA技術(shù)的主要特點(diǎn)是所有用戶可以在同一時(shí)間和同一頻率上通信，利用______來區(qū)分不同用戶。4.衛(wèi)星通信中常見的干擾類型有噪聲干擾、干擾和______干擾。5.星間激光通信相比射頻通信的主要優(yōu)勢在于______和更高的帶寬潛力。6.基于偽距測量的星際導(dǎo)航定位原理，其基本思想是測量用戶接收機(jī)與______之間的距離，并通過多顆導(dǎo)航衛(wèi)星的位置信息解算用戶坐標(biāo)。7.衛(wèi)星通信鏈路預(yù)算是估算通信系統(tǒng)性能的重要工具，它需要考慮信號在空間傳播過程中的各種______和損耗。8.為了克服載波相位觀測值存在的整周模糊度問題，常用的差分技術(shù)包括單差、______和三星模糊度固定。9.衛(wèi)星通信系統(tǒng)的工作模式主要有透明式、______和星際鏈路模式。10.空間科學(xué)與技術(shù)專業(yè)中，星際導(dǎo)航系統(tǒng)與衛(wèi)星通信是兩個(gè)緊密相關(guān)的核心領(lǐng)域，它們共同支撐著人類對______的探索與利用。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述星際導(dǎo)航系統(tǒng)與地面GNSS系統(tǒng)在基本工作原理上的主要區(qū)別。2.解釋什么是多徑效應(yīng)在衛(wèi)星通信中產(chǎn)生的影響，并簡述一種常見的抗多徑技術(shù)。3.簡述衛(wèi)星通信系統(tǒng)中進(jìn)行鏈路預(yù)算的主要目的和需要考慮的關(guān)鍵參數(shù)。4.簡述實(shí)現(xiàn)星際導(dǎo)航系統(tǒng)自主定位的主要挑戰(zhàn)及其相應(yīng)的技術(shù)途徑。四、計(jì)算題（共15分）假設(shè)一個(gè)星際導(dǎo)航任務(wù)，用戶接收機(jī)觀測到三顆導(dǎo)航衛(wèi)星的偽距觀測值分別為ρ?,ρ?,ρ?，對應(yīng)的衛(wèi)星坐標(biāo)分別為(r??,θ??,φ??),(r??,θ??,φ??),(r??,θ??,φ??)。已知用戶接收機(jī)的時(shí)鐘誤差為Δt。請寫出基于偽距測量的非線性定位方程的基本形式（即用戶位置向量x與觀測值ρ之間的基本關(guān)系式），并說明方程中包含哪些未知量。假設(shè)采用非線性最小二乘法進(jìn)行定位解算，簡述其基本思想步驟（無需具體數(shù)學(xué)推導(dǎo)）。五、綜合題（共20分）考慮一個(gè)利用低軌道衛(wèi)星（LEO）組成的星座進(jìn)行區(qū)域通信的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)需要為地面用戶提供可靠的通信服務(wù)。請簡要分析該系統(tǒng)在星座設(shè)計(jì)、星上處理與存儲、星間鏈路、用戶終端以及抗干擾等方面可能面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)，并針對其中兩個(gè)你認(rèn)為最重要的挑戰(zhàn)，分別提出相應(yīng)的技術(shù)解決方案或應(yīng)對策略。試卷答案一、選擇題1.B2.D3.D4.D5.C6.A7.C8.B9.B10.C二、填空題1.時(shí)鐘2.信道編碼3.地址碼（或正交碼）4.雜波5.傳輸速率高（或光速優(yōu)勢）6.導(dǎo)航衛(wèi)星7.衰減8.雙差9.轉(zhuǎn)發(fā)式10.太空三、簡答題1.解析思路：對比星際導(dǎo)航和地面GNSS的核心差異。星際導(dǎo)航定位距離遠(yuǎn)，信號傳播時(shí)延大，通常依賴自主導(dǎo)航或星際鏈路，環(huán)境更復(fù)雜；地面GNSS定位距離近，時(shí)延小，主要依賴星地鏈路和地面測控。*答案要點(diǎn)：星際導(dǎo)航系統(tǒng)工作距離遠(yuǎn)超地面GNSS，信號傳播時(shí)延顯著增大；通常需要更強(qiáng)的自主導(dǎo)航能力或依賴星際鏈路進(jìn)行信息交互與修正；面臨的太空環(huán)境（如深空真空、強(qiáng)輻射）與近地空間環(huán)境不同，對系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出更高要求。2.解析思路：解釋多徑是什么（信號經(jīng)反射/折射到達(dá)接收機(jī)），及其影響（信號失真、衰落）。提出抗多徑技術(shù)（如RAKE接收機(jī)利用多徑分量，或基于均衡器的線性預(yù)測等）。*答案要點(diǎn)：多徑效應(yīng)是指衛(wèi)星信號經(jīng)過大氣層或地面物體反射后，到達(dá)接收機(jī)形成多條路徑傳播的現(xiàn)象。它會導(dǎo)致信號失真、強(qiáng)度起伏（衰落）和相干帶寬變窄，嚴(yán)重影響通信質(zhì)量。常見的抗多徑技術(shù)包括使用RAKE接收機(jī)利用多徑分量，采用自適應(yīng)均衡器進(jìn)行線性預(yù)測補(bǔ)償，或通過分集技術(shù)（空間、頻率、時(shí)間）來減輕多徑影響。3.解析思路：鏈路預(yù)算目的是預(yù)測端到端信號質(zhì)量。關(guān)鍵參數(shù)包括發(fā)射功率、發(fā)射天線增益、空間損耗（距離）、接收天線增益、系統(tǒng)噪聲系數(shù)、各種信道損耗（大氣、雨衰等）。*答案要點(diǎn)：鏈路預(yù)算的主要目的是定量評估衛(wèi)星通信系統(tǒng)從發(fā)射端到接收端整個(gè)鏈路上的信號強(qiáng)度，判斷系統(tǒng)是否滿足設(shè)計(jì)要求（如信噪比、誤碼率）。需要考慮的關(guān)鍵參數(shù)包括：發(fā)射機(jī)輸出功率、發(fā)射天線增益、衛(wèi)星發(fā)射/接收天線增益、空間路徑損耗（與距離平方成反比）、自由空間損耗、大氣層衰減（包括雨衰、霧衰等）、系統(tǒng)噪聲系數(shù)、干擾等。4.解析思路：分析自主定位的挑戰(zhàn)（缺乏地面支持、深空環(huán)境惡劣、計(jì)算量大等）。提出技術(shù)途徑（自主定軌、自主定姿、時(shí)鐘自主校準(zhǔn)、星間測距等）。*答案要點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)星際導(dǎo)航系統(tǒng)自主定位的主要挑戰(zhàn)在于缺乏地面連續(xù)的精確支持，深空環(huán)境復(fù)雜多變，且航天器自身需要完成高精度的軌道、姿態(tài)確定和時(shí)鐘校準(zhǔn)。相應(yīng)的技術(shù)途徑包括：利用星載高精度傳感器（如星敏感器、陀螺）和算法實(shí)現(xiàn)自主定軌和定姿；采用原子鐘和原子頻標(biāo)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘的自主校準(zhǔn)和保持；通過星間測距（如激光測距）或多普勒頻移測量進(jìn)行相對導(dǎo)航；利用星圖匹配等技術(shù)輔助自主定位。四、計(jì)算題*定位方程基本形式：*解析思路：偽距定位的基本原理是測量用戶到衛(wèi)星的距離，并結(jié)合衛(wèi)星已知位置，在用戶空間形成約束方程。單顆衛(wèi)星提供距離約束，形成球面方程。多顆衛(wèi)星提供多個(gè)距離約束，形成超球面方程組。由于用戶時(shí)鐘誤差Δt的存在，所有距離方程均包含該未知量。將這些非線性方程寫為向量形式，即r?(r-r?)-cΔt2=0(j=1,2,...,n,n為衛(wèi)星數(shù),r為用戶位置向量,r?為衛(wèi)星位置向量,c為光速)。這就是非線性定位方程的基本形式。*答案：定位方程的基本形式可以表示為：∑[r??(r?-r?)]-cΔt2=0(對于i=1,2,...,n顆衛(wèi)星的觀測)，其中r是用戶位置向量，r?是第j顆衛(wèi)星的位置向量，ρ?是用戶對第i顆衛(wèi)星的偽距觀測值（包含用戶時(shí)鐘誤差Δt的影響），c是光速。更緊湊的向量形式為：r?Hr-cΔt2=0，其中H是觀測矩陣。對于非線性最小二乘法：*非線性最小二乘法思想步驟：*解析思路：非線性最小二乘法用于求解非線性方程組。基本思想是：①將非線性方程在當(dāng)前估計(jì)值附近進(jìn)行線性化（泰勒展開取一階項(xiàng)）；②求解線性化方程得到修正值；③將修正值代入原非線性方程，更新估計(jì)值；④重復(fù)上述迭代過程，直到滿足收斂條件。核心是迭代逼近和線性化。*答案：基本思想步驟如下：1.將非線性定位方程在當(dāng)前用戶位置估計(jì)值附近進(jìn)行一階泰勒展開，得到線性化方程組；2.求解該線性方程組，得到修正后的位置和時(shí)鐘誤差估計(jì)值；3.將修正值代入原始非線性定位方程，更新用戶位置和時(shí)鐘誤差的迭代估計(jì)值；4.重復(fù)步驟2和3，進(jìn)行多次迭代；5.當(dāng)?shù)^程中位置和時(shí)鐘誤差的修正量小于預(yù)設(shè)閾值，或達(dá)到最大迭代次數(shù)時(shí)，停止迭代，將當(dāng)前估計(jì)值作為最終定位結(jié)果。五、綜合題*技術(shù)挑戰(zhàn)分析：*解析思路：分析LEO星座通信系統(tǒng)面臨的多方面挑戰(zhàn)。從系統(tǒng)層面考慮星座設(shè)計(jì)（密度、覆蓋、保持）、星上處理（計(jì)算、功耗、實(shí)時(shí)性）、星間鏈路（激光/射頻、穩(wěn)定性）、用戶終端（小型化、低成本、易用性）和抗干擾（空間、電磁環(huán)境復(fù)雜）。重點(diǎn)選擇兩個(gè)最核心的進(jìn)行深入剖析。*答案要點(diǎn)（選擇挑戰(zhàn)1：星上處理與存儲）：LEO星座通信系統(tǒng)通常需要星上處理能力，用于路由選擇、數(shù)據(jù)聚合/分發(fā)、協(xié)議處理等。挑戰(zhàn)在于：1)處理能力需滿足大規(guī)模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和實(shí)時(shí)路由的需求，但星上資源（功耗、散熱、尺寸）受限；2)需要高效的數(shù)據(jù)存儲，支持?jǐn)?shù)據(jù)緩存和延遲容忍網(wǎng)絡(luò)（DTN）應(yīng)用，但存儲容量和壽命是限制因素。選擇挑戰(zhàn)2：星間鏈路）：LEO星座需要星間鏈路實(shí)現(xiàn)連續(xù)覆蓋和高速互聯(lián)。挑戰(zhàn)在于：1)星間鏈路距離短，但軌道高速運(yùn)動導(dǎo)致相對速度大，對接收機(jī)帶寬和信道編碼要求高；2)實(shí)現(xiàn)星間激光通信面臨大氣透過率低、指向精度要求高、終端小型化難等問題；3)射頻星間鏈路易受空間環(huán)境和系統(tǒng)內(nèi)部干擾。選擇其他挑戰(zhàn)如星座設(shè)計(jì)（保持高度穩(wěn)定、覆蓋縫隙）、用戶終端（成本和功耗）等也可。*解決方案或應(yīng)對策略（針對所選挑戰(zhàn)）：*針對挑戰(zhàn)1：星上處理與存儲*解析思路：提出具體技術(shù)來應(yīng)對處理和存儲的挑戰(zhàn)。處理上可考慮專用硬件加速、高效算法、任務(wù)卸載等。存儲上可考慮高密度存儲器件、優(yōu)化數(shù)據(jù)管理策略等。*答案要點(diǎn)：1)處理能力提升：采用基于FPGA或ASIC的專用硬件加速器，實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)包處理和路由計(jì)算；設(shè)計(jì)輕量級、自適應(yīng)的算法，降低計(jì)算復(fù)雜度；研究星間任務(wù)卸載技術(shù)，將部分非實(shí)時(shí)或計(jì)算密集型任務(wù)交給地面或其他衛(wèi)星處理。2)存儲優(yōu)化：采用高密度、高可靠性的星上存儲器件（如TLC/NANDFlash）；實(shí)施智能數(shù)據(jù)緩存和優(yōu)先級管理策略，優(yōu)化存儲空間利用率；結(jié)合DTN技術(shù)，利用休眠或低軌道過境時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲與轉(zhuǎn)發(fā)。*針對挑戰(zhàn)2：星間鏈路*解析思路：提出應(yīng)對星間鏈路挑戰(zhàn)的具體技術(shù)。針對高速相對運(yùn)動，可使用前向糾錯(cuò)（FEC）和自適應(yīng)調(diào)制。針對激光通信難題，可改進(jìn)大氣補(bǔ)償技術(shù)、發(fā)展小型化光學(xué)系統(tǒng)。針對射頻干擾，可優(yōu)化波束賦形和抗干擾算法。*答案要點(diǎn)：1)應(yīng)對高速運(yùn)動：采用高性能的前向糾錯(cuò)（FEC）編碼技