2025年大学《空间科学与技术》专业题库- 太空通信网与星际信息传输

2025年大学《空间科学与技术》专业题库——太空通信网与星际信息传输考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项字母填在题后括号内）1.下列哪一项不是影响深空通信链路预算的关键因素？A.发射天线增益B.接收机灵敏度C.卫星发射功率D.地球自转速度2.在星际通信中，相比X波段，Ku波段通常具有的优势是？A.更低的自由空间损耗B.更强的穿透电离层能力C.更高的可用带宽潜力D.更低的干扰可能性3.适用于星间激光通信的主要挑战之一是？A.大气噪声干扰B.信号带宽利用率低C.光束扩散和指向精度要求极高D.发射功率受限较小4.对于地月距离（约38万公里）的通信，自由空间路径损耗（以dB计）近似为？A.20lg(38)+20lg(2f)-147.55B.20lg(38)+20lg(f)-92.45C.20lg(38)+20lg(2f)-92.45D.20lg(f)-147.555.在太空通信系统中，采用前向纠错编码（FEC）的主要目的是？A.增加信号传输带宽B.提高发射机功率效率C.提高接收机灵敏度D.自动重传请求（ARQ）机制的一部分6.以下哪种天线技术最适合需要快速波束扫描和切换的动态星间通信网络？A.固定高增益抛物面天线B.相控阵天线C.被动反射面天线D.智能赋形波束天线7.太空通信中，测控（TT&C）任务与高速数据传输任务相比，通常的特点是？A.数据速率高，时延小B.数据速率低，时延大，优先级高C.数据速率高，时延大D.数据速率低，时延小8.星际互联网（IPI）面临的核心技术挑战之一是？A.低地球轨道卫星的星座部署B.跨越巨大距离的显著信号衰减与时延C.地面用户终端的小型化D.高频段电磁波谱的利用效率9.在采用频率分复用（FDM）的卫星通信系统中，为了减少相邻信道间的相互干扰（串扰），通常需要？A.提高发射功率B.使用宽频带信号C.增大信道间隔频率D.采用相干解调技术10.量子通信在太空领域的主要潜在优势在于？A.实现超视距通信B.提供极高的数据传输速率C.实现原理上无法被窃听的安全通信D.降低自由空间传输损耗二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填在题后横线上）1.太空通信中，由于电磁波在自由空间传播，能量会随距离的增加而__________，通常用路径损耗来衡量，单位是__________。2.为了克服深空通信的巨大时延，通常采用__________技术，允许接收端在一定时间内对错误数据进行重传请求。3.激光通信相比于微波通信，其主要优势在于潜在带宽高和__________损耗低。4.天线增益表示天线在特定方向上集中能量的能力，单位是__________。5.星间通信网络根据拓扑结构可分为__________网、网状网和混合网等。6.为了补偿自由空间损耗和噪声的影响，提高接收信号质量，太空通信接收机通常需要采用__________技术。7.卫星通信系统性能的重要指标之一是__________，它表示了通信系统能够可靠传输信息的最大数据速率。8.太空通信环境复杂，存在大气衰减、__________干扰等多种因素影响信号质量。9.基于地月系统的中继通信，如月球中继卫星（LRS），可以__________地解决地月直接通信的时延和覆盖问题。10.星际信息传输的未来发展可能涉及__________通信、人工智能网络管理等前沿方向。三、简答题（每题5分，共20分）1.简述影响太空通信系统选择工作频段的主要因素。2.简述相控阵天线在太空通信中的主要优势。3.简述星际通信相比地面通信面临的主要特殊挑战。4.简述TT&C（测控）系统在太空任务中的基本作用。四、计算题（每题10分，共20分）1.假设一颗地球同步轨道（GEO）卫星，其发射天线增益为30dB，接收机天线增益为25dB，工作频率为14GHz，不考虑大气损耗和天线指向误差。试计算该通信链路的自由空间路径损耗（单位：dB）。已知光速c≈3x10^8m/s。2.某星际通信任务，需要传输数据速率为1Mbps，误码率（BER）要求为10^-6。假设信道噪声功率为N0=10^-21W/Hz，接收机带宽为B=1MHz。试根据香农公式，估算理论上所需的最小信噪比（SNR）是多少分贝（dB）？（香农公式C=B*log2(1+SNR)，其中C为信道容量，单位bps）。五、论述题（15分）结合当前技术发展，论述构建全球性的星际互联网（IPI）面临的主要技术挑战及其可能的解决方案。试卷答案一、选择题1.D2.C3.C4.C5.D6.B7.B8.B9.C10.C二、填空题1.衰减；分贝(dB)2.自动重传请求(ARQ)3.传输4.分贝(dB)5.星形6.低噪声放大(LNA)7.吞吐量/容量8.电磁波9.实现低时延覆盖/弥补10.量子三、简答题1.解析思路:考察对频段选择依据的理解。需要从传输距离、带宽需求、大气/等离子体层影响、可用频谱、设备复杂性等方面回答。*答案要点:传输距离：远距离需要低频段（损耗小）；近距离可考虑高频段（带宽大）。带宽需求：高速率传输需要宽频带，通常高频段。大气影响：某些频段受电离层/大气吸收/散射影响大，需避开。可用频谱：不同频段分配给不同业务，需合规。设备复杂性：高频段设备通常更复杂、成本更高。2.解析思路:考察对相控阵技术优势的理解。需要从波束控制、灵活性、多波束、抗干扰等方面回答。*答案要点:快速波束扫描与切换：通过电子控制相位实现无机械运动的高速指向。多波束/赋形波束：可同时形成多个波束或特定形状波束，提高资源利用率。灵活性与智能化：易于集成电子战功能，如自适应波束形成、干扰抑制。支持MIMO技术：可提高系统容量和可靠性。3.解析思路:考察对星际通信特殊挑战的认识。需要列举并简述远距离、强干扰、恶劣环境、高时延等带来的问题。*答案要点:链路损耗巨大与时延：自由空间衰减严重，信号传播时间长。信噪比低：远距离接收微弱信号，易受噪声和干扰影响。天线指向精度要求高：距离远，波束扩散大。通信协议设计复杂：需考虑高时延、低可靠性的特点。空间环境恶劣：受辐射、真空、温度剧变等影响。电源限制：航天器功率有限。4.解析思路:考察对TT&C系统功能的理解。需要说明其在任务控制、状态监测、指令传输等方面的作用。*答案要点:任务控制与指令传输：向航天器发送操作指令，接收应答。遥测与状态监测：获取航天器工作状态、工程参数和环境数据。安全与备份：通常作为重要的安全通信链路和备份链路。高优先级：通常具有较高优先级，确保任务基本指令畅通。四、计算题1.解析思路:计算自由空间路径损耗需要使用公式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是距离（需转换为米），f是频率（Hz），G_T和G_R分别是发射和接收天线增益（需转换为线性值）。注意单位统一。*计算过程:*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:使用香农公式C=B*log2(1+SNR)求解SNR。需要将公式变形为SNR=2^(C/B)-1，并将C、B代入，注意单位统一（比特/秒和赫兹）。求得SNR后，再转换为dB值（SNR(dB)=10lg(SNR)）。*计算过程:*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、论述题解析思路:考察对星际互联网构建挑战和解决方案的宏观理解和论述能力。需要从技术层面（如通信链路、路由、协议、终端）和系统层面（如星座、成本、标准化）进行阐述，并给出可能的应对策略。*答案要点:*主要挑战:*巨大的传播时延和有限的带宽:地球与深空之间巨大的距离导致单向时延数十甚至数百毫秒，严重影响实时交互，低带宽限制了大数据量传输。*复杂的路由与网络管理:星间、星地链路动态变化，网络拓扑复杂，需要高效、鲁棒的路由算法和智能化的网络管理机制。*恶劣的空间环境和干扰:空间辐射、真空、温度剧变影响设备可靠性；不同频段干扰、宇宙噪声等影响通信质量。*高昂的成本和难度:建立庞大的卫星星座、研发先进终端和地面站需要巨大投入，任务实施复杂。*缺乏统一的标准和互操作性:不同星座、不同技术方案之间可能存在兼容性问题。*可能的解决方案:*采用更先进的通信技术:如激光通信（高带宽）、更高频段（更大带宽潜力）、MIMO、智能天线技术等。*开发适应性的网络协议:如基于延迟/可靠性优化的路由协议（如DTN-DelayT