2025年大學(xué)《空間科學(xué)與技術(shù)》專業(yè)題庫——太空通信網(wǎng)與星際信息傳輸考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項字母填在題后括號內(nèi)）1.下列哪一項不是影響深空通信鏈路預(yù)算的關(guān)鍵因素？A.發(fā)射天線增益B.接收機靈敏度C.衛(wèi)星發(fā)射功率D.地球自轉(zhuǎn)速度2.在星際通信中，相比X波段，Ku波段通常具有的優(yōu)勢是？A.更低的自由空間損耗B.更強的穿透電離層能力C.更高的可用帶寬潛力D.更低的干擾可能性3.適用于星間激光通信的主要挑戰(zhàn)之一是？A.大氣噪聲干擾B.信號帶寬利用率低C.光束擴散和指向精度要求極高D.發(fā)射功率受限較小4.對于地月距離（約38萬公里）的通信，自由空間路徑損耗（以dB計）近似為？A.20lg(38)+20lg(2f)-147.55B.20lg(38)+20lg(f)-92.45C.20lg(38)+20lg(2f)-92.45D.20lg(f)-147.555.在太空通信系統(tǒng)中，采用前向糾錯編碼（FEC）的主要目的是？A.增加信號傳輸帶寬B.提高發(fā)射機功率效率C.提高接收機靈敏度D.自動重傳請求（ARQ）機制的一部分6.以下哪種天線技術(shù)最適合需要快速波束掃描和切換的動態(tài)星間通信網(wǎng)絡(luò)？A.固定高增益拋物面天線B.相控陣天線C.被動反射面天線D.智能賦形波束天線7.太空通信中，測控（TT&C）任務(wù)與高速數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)相比，通常的特點是？A.數(shù)據(jù)速率高，時延小B.數(shù)據(jù)速率低，時延大，優(yōu)先級高C.數(shù)據(jù)速率高，時延大D.數(shù)據(jù)速率低，時延小8.星際互聯(lián)網(wǎng)（IPI）面臨的核心技術(shù)挑戰(zhàn)之一是？A.低地球軌道衛(wèi)星的星座部署B(yǎng).跨越巨大距離的顯著信號衰減與時延C.地面用戶終端的小型化D.高頻段電磁波譜的利用效率9.在采用頻率分復(fù)用（FDM）的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，為了減少相鄰信道間的相互干擾（串?dāng)_），通常需要？A.提高發(fā)射功率B.使用寬頻帶信號C.增大信道間隔頻率D.采用相干解調(diào)技術(shù)10.量子通信在太空領(lǐng)域的主要潛在優(yōu)勢在于？A.實現(xiàn)超視距通信B.提供極高的數(shù)據(jù)傳輸速率C.實現(xiàn)原理上無法被竊聽的安全通信D.降低自由空間傳輸損耗二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在題后橫線上）1.太空通信中，由于電磁波在自由空間傳播，能量會隨距離的增加而__________，通常用路徑損耗來衡量，單位是__________。2.為了克服深空通信的巨大時延，通常采用__________技術(shù)，允許接收端在一定時間內(nèi)對錯誤數(shù)據(jù)進(jìn)行重傳請求。3.激光通信相比于微波通信，其主要優(yōu)勢在于潛在帶寬高和__________損耗低。4.天線增益表示天線在特定方向上集中能量的能力，單位是__________。5.星間通信網(wǎng)絡(luò)根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為__________網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)和混合網(wǎng)等。6.為了補償自由空間損耗和噪聲的影響，提高接收信號質(zhì)量，太空通信接收機通常需要采用__________技術(shù)。7.衛(wèi)星通信系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)之一是__________，它表示了通信系統(tǒng)能夠可靠傳輸信息的最大數(shù)據(jù)速率。8.太空通信環(huán)境復(fù)雜，存在大氣衰減、__________干擾等多種因素影響信號質(zhì)量。9.基于地月系統(tǒng)的中繼通信，如月球中繼衛(wèi)星（LRS），可以__________地解決地月直接通信的時延和覆蓋問題。10.星際信息傳輸?shù)奈磥戆l(fā)展可能涉及__________通信、人工智能網(wǎng)絡(luò)管理等前沿方向。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述影響太空通信系統(tǒng)選擇工作頻段的主要因素。2.簡述相控陣天線在太空通信中的主要優(yōu)勢。3.簡述星際通信相比地面通信面臨的主要特殊挑戰(zhàn)。4.簡述TT&C（測控）系統(tǒng)在太空任務(wù)中的基本作用。四、計算題（每題10分，共20分）1.假設(shè)一顆地球同步軌道（GEO）衛(wèi)星，其發(fā)射天線增益為30dB，接收機天線增益為25dB，工作頻率為14GHz，不考慮大氣損耗和天線指向誤差。試計算該通信鏈路的自由空間路徑損耗（單位：dB）。已知光速c≈3x10^8m/s。2.某星際通信任務(wù)，需要傳輸數(shù)據(jù)速率為1Mbps，誤碼率（BER）要求為10^-6。假設(shè)信道噪聲功率為N0=10^-21W/Hz，接收機帶寬為B=1MHz。試根據(jù)香農(nóng)公式，估算理論上所需的最小信噪比（SNR）是多少分貝（dB）？（香農(nóng)公式C=B*log2(1+SNR)，其中C為信道容量，單位bps）。五、論述題（15分）結(jié)合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展，論述構(gòu)建全球性的星際互聯(lián)網(wǎng)（IPI）面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)及其可能的解決方案。試卷答案一、選擇題1.D2.C3.C4.C5.D6.B7.B8.B9.C10.C二、填空題1.衰減；分貝(dB)2.自動重傳請求(ARQ)3.傳輸4.分貝(dB)5.星形6.低噪聲放大(LNA)7.吞吐量/容量8.電磁波9.實現(xiàn)低時延覆蓋/彌補10.量子三、簡答題1.解析思路:考察對頻段選擇依據(jù)的理解。需要從傳輸距離、帶寬需求、大氣/等離子體層影響、可用頻譜、設(shè)備復(fù)雜性等方面回答。*答案要點:傳輸距離：遠(yuǎn)距離需要低頻段（損耗?。唤嚯x可考慮高頻段（帶寬大）。帶寬需求：高速率傳輸需要寬頻帶，通常高頻段。大氣影響：某些頻段受電離層/大氣吸收/散射影響大，需避開?？捎妙l譜：不同頻段分配給不同業(yè)務(wù)，需合規(guī)。設(shè)備復(fù)雜性：高頻段設(shè)備通常更復(fù)雜、成本更高。2.解析思路:考察對相控陣技術(shù)優(yōu)勢的理解。需要從波束控制、靈活性、多波束、抗干擾等方面回答。*答案要點:快速波束掃描與切換：通過電子控制相位實現(xiàn)無機械運動的高速指向。多波束/賦形波束：可同時形成多個波束或特定形狀波束，提高資源利用率。靈活性與智能化：易于集成電子戰(zhàn)功能，如自適應(yīng)波束形成、干擾抑制。支持MIMO技術(shù)：可提高系統(tǒng)容量和可靠性。3.解析思路:考察對星際通信特殊挑戰(zhàn)的認(rèn)識。需要列舉并簡述遠(yuǎn)距離、強干擾、惡劣環(huán)境、高時延等帶來的問題。*答案要點:鏈路損耗巨大與時延：自由空間衰減嚴(yán)重，信號傳播時間長。信噪比低：遠(yuǎn)距離接收微弱信號，易受噪聲和干擾影響。天線指向精度要求高：距離遠(yuǎn)，波束擴散大。通信協(xié)議設(shè)計復(fù)雜：需考慮高時延、低可靠性的特點?？臻g環(huán)境惡劣：受輻射、真空、溫度劇變等影響。電源限制：航天器功率有限。4.解析思路:考察對TT&C系統(tǒng)功能的理解。需要說明其在任務(wù)控制、狀態(tài)監(jiān)測、指令傳輸?shù)确矫娴淖饔谩?答案要點:任務(wù)控制與指令傳輸：向航天器發(fā)送操作指令，接收應(yīng)答。遙測與狀態(tài)監(jiān)測：獲取航天器工作狀態(tài)、工程參數(shù)和環(huán)境數(shù)據(jù)。安全與備份：通常作為重要的安全通信鏈路和備份鏈路。高優(yōu)先級：通常具有較高優(yōu)先級，確保任務(wù)基本指令暢通。四、計算題1.解析思路:計算自由空間路徑損耗需要使用公式L=20lg(R)+20lg(f)+20lg(4π/GT)或L=20lg(R)+20lg(f)-147.55+20lg(4π/(G_T*G_R))，其中R是距離（需轉(zhuǎn)換為米），f是頻率（Hz），G_T和G_R分別是發(fā)射和接收天線增益（需轉(zhuǎn)換為線性值）。注意單位統(tǒng)一。*計算過程:*R=38x10^8m*f=14x10^9Hz*G_T=10^(30/10)=1000*G_R=10^(25/10)=316.23*L=20lg(38x10^8)+20lg(14x10^9)+20lg(4π/(1000*316.23))-147.55*L=20lg(38x10^8)+20lg(14x10^9)+20lg(4π/316230)-147.55*L≈20lg(3.8x10^9)+20lg(1.4x10^10)+20lg(0.0406)-147.55*L≈20*9.58+20*10.146+20*(-1.39)-147.55*L≈191.6+202.92-27.8-147.55*L≈218.19dB*答案(近似值):218.19dB2.解析思路:使用香農(nóng)公式C=B*log2(1+SNR)求解SNR。需要將公式變形為SNR=2^(C/B)-1，并將C、B代入，注意單位統(tǒng)一（比特/秒和赫茲）。求得SNR后，再轉(zhuǎn)換為dB值（SNR(dB)=10lg(SNR)）。*計算過程:*C=1Mbps=1x10^6bps*B=1MHz=1x10^6Hz*SNR=2^(C/B)-1=2^(1x10^6/1x10^6)-1=2^1-1=1*SNR=1*SNR(dB)=10lg(1)=0dB*答案:0dB五、論述題解析思路:考察對星際互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建挑戰(zhàn)和解決方案的宏觀理解和論述能力。需要從技術(shù)層面（如通信鏈路、路由、協(xié)議、終端）和系統(tǒng)層面（如星座、成本、標(biāo)準(zhǔn)化）進(jìn)行闡述，并給出可能的應(yīng)對策略。*答案要點:*主要挑戰(zhàn):*巨大的傳播時延和有限的帶寬:地球與深空之間巨大的距離導(dǎo)致單向時延數(shù)十甚至數(shù)百毫秒，嚴(yán)重影響實時交互，低帶寬限制了大數(shù)據(jù)量傳輸。*復(fù)雜的路由與網(wǎng)絡(luò)管理:星間、星地鏈路動態(tài)變化，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋸?fù)雜，需要高效、魯棒的路由算法和智能化的網(wǎng)絡(luò)管理機制。*惡劣的空間環(huán)境和干擾:空間輻射、真空、溫度劇變影響設(shè)備可靠性；不同頻段干擾、宇宙噪聲等影響通信質(zhì)量。*高昂的成本和難度:建立龐大的衛(wèi)星星座、研發(fā)先進(jìn)終端和地面站需要巨大投入，任務(wù)實施復(fù)雜。*缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和互操作性:不同星座、不同技術(shù)方案之間可能存在兼容性問題。*可能的解決方案:*采用更先進(jìn)的通信技術(shù):如激光通信（高帶寬）、更高頻段（更大帶寬潛力）、MIMO、智能天線技術(shù)等。*開發(fā)適應(yīng)性的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議:如基于延遲/可靠性優(yōu)化的路由協(xié)議（如DTN-DelayT