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深空通信作为深空探测领域研究的核心部分,肩负着地面站与飞行探测器间的数据交互职责。然而,由于深空链路具有时延大、中断频发、节点资源有限、信噪比低且动态变化以及上下行链路非对称等缺点,导致回传数据的损坏甚至丢失。因此,针对飞行探测器的回传数据,尤其是在其中占据核心地位的探测图像数据的高质量、高效率以及高可靠性传输方案的研究便极为重要。本文以容延迟网络(Delay Tolerant Network,DTN)协议框架为核心架构,并在应用层和物理层分别采用CS(Compressed Sensing,CS)图像压缩感知技术和Spinal信道编译码技术,搭建深空探测图像压缩与传输平台。并通过应用层、传输层以及物理层三者之间的跨层联合优化,在减少使用反馈的前提下,实现深空探测图像的高质量、高效率以及高可靠性的传输。应用层中,针对节点资源有限这一缺点,采用具有全息压缩特性的CS图像压缩感知技术。不同于传统压缩算法,CS图像压缩感知技术将采样与压缩合并为一步,直接对探测图像数据进行线性编码,将繁重的处理任务转移至解码端。同时得益于CS图像压缩的全息压缩特性,使得传输层可加入冗余压缩值,最大程度上确保接收端接收足够的压缩值,成功完成译码。在物理层,针对复杂时变的深空信道,采用了近容量限传输的Spinal无速率编译码技术,可动态适应深空链路,降低反馈情况的产生。之后,本文以该平台架构为基础,针对跨层联合传输机制进行优化问题建模与求解,制定出可行的跨层联合传输方案。本方案针对不同的信道状态,对应用层CS图像压缩冗余值数量和物理层Spinal码各编码块的符号数进行动态调整,在减少使用反馈的前提下,使吞吐量最大化,实现探测图像的高质量、高效率以及高可靠性的传输。为了对跨层联合传输方案进行验证与评估,本文对DTN网络下传输层LTP(Licklider Transmission Protocol,LTP)协议进行软件实现,并搭建了深空探测图像压缩与传输的半实物仿真平台,平台包括收发处理终端的构建以及深空链路的模拟。收发终端的构建中,包括传输层LTP协议框架的修改,应用层CS图像压缩感知程序以及Spinal信道编译码程序的嵌入。最后,本文以地火通信作为仿真场景,模拟了深空探测图像的回传过程,并对本文所建立的跨层联合传输方案的吞吐量性能进行验证与评估。结果表明在地火通信场景下,跨层联合传输方案的吞吐量性能相比预判重传方案要高出6.5%,相比无预判追加方案高出14.7%,相比无预判重传机制高出21%。