2025年大學(xué)《空間科學(xué)與技術(shù)》專業(yè)題庫——星際探測(cè)與宇宙廣域網(wǎng)研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請(qǐng)將正確選項(xiàng)的代表字母填在題后括號(hào)內(nèi)。每小題2分，共20分）1.下列哪一項(xiàng)不屬于星際探測(cè)中需要克服的主要空間環(huán)境挑戰(zhàn)？A.極端溫度變化B.宇宙射線輻射C.微流星體撞擊風(fēng)險(xiǎn)D.地球電磁干擾2.在深空探測(cè)任務(wù)中，用于實(shí)現(xiàn)航天器自主確定姿態(tài)的主要技術(shù)手段是？A.地面測(cè)控站指令控制B.星上太陽敏感器與星敏感器組合C.地球同步軌道轉(zhuǎn)發(fā)器中繼D.軌道機(jī)動(dòng)燃料消耗3.以下哪種推進(jìn)技術(shù)被認(rèn)為是未來實(shí)現(xiàn)快速星際旅行的潛在候選方案？A.化學(xué)火箭推進(jìn)B.核熱推進(jìn)C.電火箭推進(jìn)D.蒸汽噴射推進(jìn)4.宇宙廣域網(wǎng)（SWAN）的核心價(jià)值在于？A.實(shí)現(xiàn)全球地面通信網(wǎng)絡(luò)的無縫覆蓋B.為大量空間任務(wù)提供統(tǒng)一的測(cè)控指令鏈路C.構(gòu)建一個(gè)分布式的、跨區(qū)域的空間信息傳輸網(wǎng)絡(luò)D.替代現(xiàn)有的地面衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)5.深空探測(cè)中，測(cè)控通信（TT&C）面臨的主要技術(shù)瓶頸是？A.高功率發(fā)射要求B.極低的信噪比和巨大的傳播時(shí)延C.星間激光通信的安全性D.多普勒頻移的精確測(cè)量6.下列哪一項(xiàng)技術(shù)是星間激光通信（Lasercom）相較于傳統(tǒng)射頻通信的主要優(yōu)勢(shì)？A.可在空間碎片密集區(qū)域自由使用無需授權(quán)頻率B.能提供遠(yuǎn)超射頻的傳輸帶寬和更高的信噪比C.對(duì)航天器姿態(tài)穩(wěn)定精度要求顯著降低D.鏈路建立過程完全自主無需人工干預(yù)7.在設(shè)計(jì)宇宙廣域網(wǎng)時(shí)，需要特別考慮的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常是？A.純粹的星型拓?fù)銪.完全的網(wǎng)狀拓?fù)銫.部分連接的網(wǎng)狀或混合拓?fù)銬.樹狀拓?fù)?.對(duì)于需要高時(shí)間分辨率的大規(guī)模天文觀測(cè)任務(wù)，宇宙廣域網(wǎng)的主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在？A.提供極長的觀測(cè)連續(xù)性B.支持多個(gè)探測(cè)器之間的高效數(shù)據(jù)協(xié)同與共享C.具備極高的地面終端部署靈活性D.能有效抵抗太陽活動(dòng)對(duì)觀測(cè)的影響9.保障宇宙廣域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)（如衛(wèi)星）之間數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)質(zhì)量（QoS）的關(guān)鍵技術(shù)因素包括？A.帶寬分配算法、路由選擇策略、誤碼率控制B.星上處理能力、電池容量、傳感器精度C.地面測(cè)控站數(shù)量、發(fā)射機(jī)功率、天線尺寸D.星際距離、相對(duì)速度、引力攝動(dòng)10.宇宙廣域網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展對(duì)空間科學(xué)研究帶來的主要變革是？A.僅限于提升對(duì)地觀測(cè)分辨率B.使得大規(guī)模、多平臺(tái)、高時(shí)間分辨率的協(xié)同觀測(cè)成為可能C.完全取代了傳統(tǒng)的地面天文臺(tái)觀測(cè)D.大幅降低了深空探測(cè)器的發(fā)射成本二、簡答題（請(qǐng)簡潔明了地回答下列問題。每小題5分，共30分）11.簡述星際探測(cè)器進(jìn)行自主導(dǎo)航的主要目的及其面臨的技術(shù)難點(diǎn)。12.簡述深空通信中頻率復(fù)用技術(shù)的概念及其應(yīng)用意義。13.簡述宇宙廣域網(wǎng)中路由選擇需要考慮的關(guān)鍵因素。14.簡述星間激光通信相比射頻通信在帶寬和功耗方面的潛在優(yōu)勢(shì)。15.簡述支持大規(guī)模星際探測(cè)任務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠钪鎻V域網(wǎng)應(yīng)具備的基本能力。16.簡述當(dāng)前宇宙廣域網(wǎng)發(fā)展中面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)。三、計(jì)算題（請(qǐng)列出必要的計(jì)算步驟和公式。每小題10分，共20分）17.假設(shè)一星際探測(cè)器正沿圓形停泊軌道繞火星飛行，軌道半徑為3000km。若要求探測(cè)器通過星上通信系統(tǒng)向地球發(fā)送數(shù)據(jù)，已知地火距離平均約為8000萬km，不考慮中繼，試估算直接測(cè)控鏈路與星地通信鏈路的時(shí)間延遲之比（假設(shè)光速為3x10^8m/s）。18.假設(shè)一個(gè)宇宙廣域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)（衛(wèi)星）配置了兩個(gè)發(fā)射功率相同（P_t=10W）、增益分別為G_t1=20dBi和G_t2=30dBi的天線，用于向兩個(gè)不同方向的鄰居節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)。若兩個(gè)鏈路的距離相同，自由空間路徑損耗系數(shù)為32.44dB/Km，載波頻率為20GHz。試定性比較這兩個(gè)鏈路的接收信噪比（忽略其他干擾和噪聲）。四、論述題（請(qǐng)結(jié)合所學(xué)知識(shí)，深入分析并闡述下列問題。共30分）19.論述實(shí)現(xiàn)高效、可靠的宇宙廣域網(wǎng)所需要克服的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)，并就其中一至兩個(gè)挑戰(zhàn)提出可能的解決方案或研究方向。（15分）20.結(jié)合當(dāng)前空間技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，論述星際探測(cè)任務(wù)對(duì)宇宙廣域網(wǎng)未來發(fā)展提出的新需求，以及宇宙廣域網(wǎng)技術(shù)如何賦能下一代星際探測(cè)。（15分）試卷答案一、選擇題1.D2.B3.B4.C5.B6.B7.C8.B9.A10.B二、簡答題11.目的：減少對(duì)地面測(cè)控的依賴，提高任務(wù)自主性、生存能力和任務(wù)成功率，縮短探測(cè)周期，執(zhí)行非預(yù)定軌道機(jī)動(dòng)或任務(wù)變更。難點(diǎn)：精度要求高、環(huán)境模型復(fù)雜、傳感器噪聲與誤差、計(jì)算資源與功耗限制、實(shí)時(shí)性要求。12.概念：在同一頻率或相鄰頻率上，通過時(shí)間分割、空間分割或碼分等手段，同時(shí)或分時(shí)復(fù)用多個(gè)通信信道，以提高頻譜利用效率。意義：在有限的頻譜資源下，提升深空測(cè)控網(wǎng)絡(luò)或星間網(wǎng)絡(luò)的通信容量和效率。13.關(guān)鍵因素：鏈路質(zhì)量（信噪比、時(shí)延）、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、傳輸時(shí)延與帶寬限制、路由策略開銷、網(wǎng)絡(luò)管理需求（如負(fù)載均衡、故障恢復(fù)）、安全性要求。14.優(yōu)勢(shì)（帶寬）：光頻段頻譜資源遠(yuǎn)超射頻段，支持更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更大的帶寬。優(yōu)勢(shì)（功耗）：激光通信方向性強(qiáng)，發(fā)射天線增益高，可降低發(fā)射功率需求；接收端也因信號(hào)集中而可使用更小孔徑天線，降低接收機(jī)噪聲和功耗。15.基本能力：支持高數(shù)據(jù)率、低時(shí)延的跨區(qū)域、多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸；具備良好的可擴(kuò)展性和魯棒性（節(jié)點(diǎn)故障或鏈路中斷時(shí)能重路由）；支持不同類型業(yè)務(wù)的QoS保障；具備網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)、連接建立與管理能力。16.主要挑戰(zhàn)：星間鏈路穩(wěn)定性與指向精度維持、復(fù)雜空間環(huán)境下的干擾與抗干擾、星上高速數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)、星間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與路由的適應(yīng)性、大規(guī)模星座管理與協(xié)同、高成本與部署復(fù)雜度。三、計(jì)算題17.解：*停泊軌道周期T_orbit≈2π*sqrt(r_orbit^3/GM_mars)，其中G為萬有引力常數(shù)，M_mars為火星質(zhì)量。T_orbit≈2π*sqrt(3x10^6m)^3/(GM_mars)≈1.5x10^4s。假設(shè)單次測(cè)控或數(shù)據(jù)傳輸所需信號(hào)往返時(shí)間ΔtTT&C≈T_orbit。地火平均距離R_earth_mars≈8x10^11m。星地通信單程時(shí)間Δtlaser≈R_earth_mars/c≈2.67x10^3s。*時(shí)間延遲之比≈ΔtTT&C/Δtlaser≈(1.5x10^4s)/(2.67x10^3s)≈5.6。**注：此計(jì)算為估算，實(shí)際時(shí)延受軌道高度、地火距離變化、信號(hào)處理時(shí)間等影響。*18.解：*鏈路1路徑損耗L1=32.44+20lg(20GHz)+20lg(d)+20lg(10^9)=32.44+43+20lg(d)+30=105.44+20lg(d)dB。*鏈路2路徑損耗L2=32.44+20lg(20GHz)+20lg(d)+20lg(10^9)=32.44+43+20lg(d)+30=105.44+20lg(d)dB。*由于P_t,G_t1,G_t2,d,L均相同（或只差天線增益），且假設(shè)接收機(jī)噪聲相同，則接收信噪比主要取決于接收天線增益。鏈路2使用增益更高的天線G_t2=30dBi，其接收信號(hào)強(qiáng)度比鏈路1高10^((30-20)/10)=10^1=10倍。因此，鏈路2的接收信噪比顯著高于鏈路1。四、論述題19.挑戰(zhàn)與解決方案/研究方向：*挑戰(zhàn)1：星間鏈路穩(wěn)定性與指向精度?？臻g機(jī)動(dòng)、軌道攝動(dòng)導(dǎo)致鏈路動(dòng)態(tài)變化，激光通信要求高精度穩(wěn)定指向。解決方案/方向：開發(fā)高精度、快速響應(yīng)的星上姿態(tài)軌道控制與測(cè)量系統(tǒng)（AOCS/ASDS）；利用激光波束整形、自適應(yīng)光學(xué)等技術(shù)補(bǔ)償指向誤差；研究基于相對(duì)導(dǎo)航的智能波束指向技術(shù)。*挑戰(zhàn)2：復(fù)雜空間環(huán)境下的干擾與抗干擾。太陽活動(dòng)、空間碎片、其他系統(tǒng)等產(chǎn)生電磁或物理干擾。解決方案/方向：采用跳頻、擴(kuò)頻、正交頻分復(fù)用（OFDM）等抗干擾技術(shù)；設(shè)計(jì)低截獲概率（LPI）發(fā)射機(jī)；開發(fā)智能干擾檢測(cè)與規(guī)避算法；建立空間態(tài)勢(shì)感知（SSA）支持下的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行策略。*挑戰(zhàn)3：星上高速數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)。大規(guī)模觀測(cè)或多源數(shù)據(jù)融合產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，星上處理能力、存儲(chǔ)容量和傳輸帶寬面臨挑戰(zhàn)。解決方案/方向：發(fā)展片上系統(tǒng)（SoC）實(shí)現(xiàn)高性能、低功耗星上計(jì)算；采用數(shù)據(jù)壓縮、智能濾波、特征提取等算法減少傳輸數(shù)據(jù)量；研發(fā)高容量、高可靠性的星上存儲(chǔ)器；優(yōu)化地面與星上數(shù)據(jù)交互協(xié)議。*其他挑戰(zhàn)：網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化、大規(guī)模星座管理與協(xié)同、成本效益、安全性等。方向：加強(qiáng)國際合作與標(biāo)準(zhǔn)化工作；發(fā)展基于人工智能的網(wǎng)絡(luò)管理與優(yōu)化技術(shù)；探索新型空間部署方式（如可重構(gòu)衛(wèi)星、空間工廠制造）。20.新需求與賦能作用：*新需求：*超高帶寬與低時(shí)延：支持高分辨率成像、光譜、直接成像等大容量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)或近實(shí)時(shí)傳輸，滿足快速科學(xué)響應(yīng)需求。*高可靠性與韌性：面對(duì)星際航行漫長、環(huán)境惡劣，需保證網(wǎng)絡(luò)長期穩(wěn)定運(yùn)行，具備故障自愈和任務(wù)重組能力。*智能化與自主性：支持網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自主發(fā)現(xiàn)、連接、路由優(yōu)化、資源分配和協(xié)同工作，減少地面干預(yù)。*異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合：需要與地面網(wǎng)絡(luò)、其他航天器網(wǎng)絡(luò)（如衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)）高效融合。*能源與散熱：星際探測(cè)器和廣域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)體積和重量受限，通信系統(tǒng)需高效節(jié)能。*賦能作用：*提升觀測(cè)能力：寬帶網(wǎng)絡(luò)使多臺(tái)探測(cè)器能實(shí)時(shí)共享數(shù)據(jù)，進(jìn)行時(shí)間序列觀測(cè)或空間覆蓋，極大提升天文和空間科學(xué)觀測(cè)的深度與廣度（如協(xié)同巡天、多角度