深空测控通信系统是深空探测任务天地信息交互的唯一手段，上行链路负责遥控、导航、姿轨控等信息传输任务，下行链路负责科学数据、声音、图像等信息传输任务^[1-3]。由于距离遥远，深空测控通信面临信号空间衰耗大、传输时间长、传播环境复杂等问题。采取建设大口径深空天线、降低接收系统噪声温度、提高通信频率、增加探测器天线口径及发射功率，可获取链路增益并增强深空通信传输效率^[4-5]等措施以解决这些问题。但深空目标距离太远，不同目标信号路径衰减见表1所示，对于太阳系边际探测目标^[6-7]，其相对地球同步静止轨道卫星路径衰减达112.4 dB。而探测器重量、能源及功耗限制，发射信号功率受限，百亿千米以外探测器发射信号到达地面时已非常微弱。

因下行信号能量非常低，无法传输太高码速率，仅能支持极低码速率数据传输，最低时只有8 bit/s^[1]。“旅行者1号”（Voyager 1）和“旅行者2号”（Voyager 2）支持的最低遥测码速率为10 bit/s，“火星科学实验室”（Mars Science Laboratory，MSL）支持的最低的遥测码速率为10 bit/s^[8-9]。为增加数据接收解调的稳定性和抗干扰能力，采用信道编码技术。早期深空任务中采用RS（Reed-Solomon）+卷积级联码，此后Turbo码、低密度奇偶校验（Low Density Parity Check，LDPC）码等因其优异的纠错性能在深空任务中被广泛关注^[10]，空间数据系统咨询委员会（Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS）已推出了深空探测Turbo码、LDPC码标准^[11-12]。目前已实施的深空探测任务中，在轨道控制过程中及安全模式下，采用低增益天线支持极低码速率及编码模式见表2。

在极低码速率、载波根部相噪、微弱信号条件下，锁相环动态误差均使数据解调性能变差。采用不同的信道编码可减少开销从而提高了效率，但其提高能力有限。通过对数据解调过程研究可知，传统帧同步过程中载波捕获、数据同步及解调均需要耗费较长的时间，极大地降低了数据的接收效率。深空极低码速率条件下，须尽可能减少开销、提高数据接收效率。基于上述难点，本文提出了一种深空极低码速率条件下的帧回溯方法，利用帧同步状态信息回溯帧同步前的数据，最大限度地获取有效数据、提高数据接收效率。并将该方法的基本流程应用在“天问一号”火星探测任务中，结果表明效果较好。

帧同步就是从接收的数据流中搜索并识别帧同步码组，从而获得有效数据帧并提取出相应的数据。帧同步处理是数据解调的关键步骤，通常由帧同步器完成，其具体处理流程见图1。帧同步器核心处理单元包括帧相关器和三态逻辑转换器，帧同步器完成帧同步后，对数据进行译码及组帧，并完成数据帧输出。

图 1传统帧同步处理流程

Figure 1.Flow chart of traditional frame synchronization

帧相关器用于检出串行数据流中帧同步码组（Attached Synchronization Marker，ASM），需事先接收帧同步码组及容错位数，并完成设置；在完成接收信号后，接收载波锁定的指示、同步时钟及数据流信息，相关器将串行数据流与预先设置的帧同步码组逐位进行实时比较，得到误码个数。根据容错位数与误码个数比较，可得到帧同步码组的判决，生成帧头检测指示信号，误码个数≤容错位数，则指示检出；误码个数＞容错位数，则指示未检出。

三态逻辑转换器根据帧相关器输出的帧头检测指示完成帧同步判决，三态逻辑转换标准技术方法已非常成熟。其主要工作于下列3种状态：搜索态、校核态、锁定态，工作转换状态如图2所示^[10,18]，初态为搜索态。

图 2帧同步器三态逻辑转换状态图

Figure 2.A three state transfer diagram of traditional frame synchronizer

搜索态下，接收帧相关器的帧头检测指示，完成帧同步码组的判定，当找到符合要求的帧同步码组后，搜索成功并进入校核态；否则保持搜索态。

校核态下，为防止虚假同步，需要根据预设的校核帧数，对连续多个帧同步进行检测，校核搜索态查找到的位置是否为帧同步码组的位置。若连续多个相应位置接收到帧头检测指示，帧同步码组位置正确，立即转入锁定态并上报帧同步状态指示；否则该位置并非帧同步码组位置，校核失败，返回搜索态。

锁定态下，正常输出帧同步状态指示，完成后续的数据解调及组帧，并对连续多个帧同步码进行检测，若满足要求保持锁定态，否则返回搜索态。若出现载波失锁，重新进入搜索态，重新开始帧同步过程。

根据帧同步三态逻辑转换过程可知，在输出帧同步指示后，已成功完成了帧同步码组位置的判定，且根据校核结果，前面多帧对应位置均出现满足条件的帧同步码组。基于帧同步已完成这一先验信息，可实现转入帧锁定态后搜索态及校核态的数据回溯，并最大限度保留接收数据。本文提出的帧回溯方法（Back Tracking Method，BTM），以原有帧同步三态逻辑转换为基础，增加了帧回溯的流程。

在实际处理过程中，校核通过进入锁定态、完成帧同步后，输出帧同步数据流。在此基础上启动回溯方法，读指针将往前回退校核帧数对应的长度，输出转入搜索态后首帧及后续数据帧，具体状态转换如图3所示。

图 3引入帧回溯机制三态逻辑转换状态图

Figure 3.Three state transfer diagram of frame synchronizer with backtracking method

按照传统的设计，采用数据流处理，需要在校核完成后，输出有效的数据帧。引入回溯机制后具体的处理流程为

1）位同步也称码元同步，是数字信号码元时间对齐，从实时数据中提取时钟信号，并借助于时钟信号来识别信息码元的过程。位同步完成后，将实时数据流送入三态逻辑转换器，同时开辟数据缓冲区，将实时数据流送入缓冲区缓存；

2）由三态逻辑转换器根据ASM完成搜索态、校核态、锁定态判定；

3）进入锁定态后，输出帧同步锁定指示，并持续输出当前及后续数据帧；

4）由帧同步锁定指示触发帧回溯机制，记录缓存区的数据指针当前的位置；

5）根据帧长、搜索帧数、校核帧数等参数确定回溯帧起始位置，即到转入搜索态的第1帧数据起始位置；

6）数据输出指针指向该位置，按照帧长设置，持续输出搜索态及校核态的所有数据帧，完成数据帧回溯。

假设帧同步参数设置容错位4位、搜索1帧、校核1帧，校核完成后生成帧同步锁定指示。传统帧同步方法及帧回溯机制引入后有效数据帧对情况如图4所示，传统的设计方法有效数据帧输出为第5帧，采用帧回溯机制后有效数据帧输出为第2帧，比传统的设计方法可以多获取3帧有效数据。

图 4回溯帧数据输出示意图

Figure 4.Flow chart of back tracking data frames

需要注意的是，帧回溯机制引入是以帧同步完成为前提的，如果帧同步未能完成，没有找到正确的帧同步码组，则无法启动数据回溯的机制，无法回溯相关数据。

探测器系统由环绕器和着陆巡视器组成，其中，着陆巡视器由进入舱（含着陆平台、大底和背罩3个部分）和火星车组成。探测器构型布局如图5所示。

图 5“天问一号”探测器构型布局示意图^[19-21]

Figure 5.The diagram of Tianwen-1 probe^[19-21]

探测器采用X频段进行测控，在整个任务过程中，环绕器和着陆巡视器测控状态为环绕器正常飞行过程中，下行遥测码速率为16 384 bit/s、RS（255，223）+卷积（7，1/2）编码；轨控过程中，下行遥测码速率为32 bit/s、RS（255，223）+卷积（7，1/2）编码；安全模式下，下行遥测码速率为32 bit/s、RS（255，223）+卷积（7，1/2）编码，部分情况下编码方式为换为LDPC编码^[19-23]。着陆巡视器火面着陆后，下行数传码速率为32 bit/s、RS（255，223）+卷积（7，1/2）编码^[19，21-23]。

中国深空测控网承担了环绕器和着陆巡视器测控及数传数据接收任务。深空测控设备X频段的主要技术指标见表3所示。

对于环绕器，当采用高增益天线时，主要进行全功能测控及数传，遥测及数传数据的速率较高，不在本文的讨论范围内。本文重点针对环绕器在轨道控制及安全模式期间、着陆巡视器正常工作期间的测控情况进行分析。

环绕器在轨控过程中及安全模式下，根据器地距离，选择采用低增益发射天线（Tx Low Gain Antenna，TLGA）或中增益天线（Medium Gain Antenna，MGA）进行测控。当器地距离达≤1.76亿km，估算下行信号功率噪声谱密度比P/N₀≥20 dBHz，由TLGA与深空站设备配合完成遥测数据接收；当器地距离＞1.76亿km，由MGA与深空站设备配合完成遥测数据接收。器地距离达到4亿km时，35 m天线和66 m天线与MGA配合完成遥测数据接收，估算下行信号P/N₀分别为22.0 dBHz、26.0 dBHz，满足下行测控要求。

对于着陆巡视器，火面着陆后，设计寿命为90个火星日，器地距离从3.2亿增加至4亿km。当采用低增益天线测控时，下行信号电平见表4所示，估算下行信号P/N₀最低为22.5 dBHz，可以保证设计寿命期内测控需求。

根据测控链路估算结果，结合前期对深空站基带设备测试结果显示当采用RS+卷积编码时，推荐帧参数设置搜索1帧、校核1帧，回溯后有效数据帧比传统方法输出多2帧；当采用LDPC编码时，推荐帧参数设置搜索1帧、校核3帧，回溯后有效数据帧比传统方法输出多4帧。

对于环绕器和着陆巡视器，遥测或数传码速率为32 bit/s时，数据帧的长度为256 Bytes，1帧数据的传输时间为128 s。2021年2月10日，环绕器近火捕获轨道控制后，环绕器采用轨道控制模式，对地通信时间约30 min（15帧），在后续轨道维持过程中也同样采用上述模式。2021年5月15日，火星车着陆，在后续的火面工作阶段，由于能源平衡考虑，对地通信的时间只有20 min（10帧）。 此外，环绕器设置了安全模式，在该模式下对地通信时间约24 min（12帧）。在极微弱信号电平条件下，载波捕获及位同步消耗按照2帧时间考虑，在上述情况下，地面采用传统模式和回溯帧模式数据接收情况如表5所示。

根据表5可知，在相同的编码方式条件下，引入回溯机制后有效数据帧数量明显提高。对于不同的编码方式，由于其帧参数设置的差异，有效数据帧数量存在差异。上述条件下，引入回溯机制后，有效数据帧比例提高了13.3%~40%。值得注意的是，如果传输时间较短而未能完成帧同步，采用传统机制及回溯机制均不能获取有效数据帧。

引入回溯机制将增加数据缓冲区，将帧同步前的数据缓存，并在帧同步后完成缓存区的数据帧的回溯。目前深空基带已经采用计算机集群的软件处理方式，其资源开销非常少，对现有的帧同步流程几乎无影响。

针对深空极低码速率条件下载波捕获、数据同步及解调均需要耗费较长时间，数据解调中有效数据帧损失，本文提出了一种深空极低码速率条件下的帧回溯方法，利用帧同步状态信息回溯帧同步前的相关数据，最大限度获取有效数据。上述方法成功应用于环绕器和火星车极低码速率条件下遥测数据接收，结果表明该引入该机制后能接收的有效数据帧比传统方式多2~4帧，传输效率比传统方法提高13%~40%。