在深空探测中所获得的各类探测信息中，通过下行链路回传的探测图像是人类了解和探索宇宙空间最为直观、核心的信息。深空链路的长时延、易中断、复杂时变等特性对探测数据的回传带来了极大挑战，因而有必要研究针对深空探测图像的高效可靠的图像传输方案，这对于深空探测的发展有重要作用。　　通过引入跨层联合传输设计，可以为地面通信系统带来较大的传输性能增益，然而在深空通信领域中，关于跨层联合传输的研究和应用还较少。为了实现深空通信中探测数据的高效可靠回传，引入了跨层联合传输设计，利用CS（Compressed Sensing）的纠删能力提出了基于上层纠删的跨层联合传输方案。该方案的传输架构参考了DTN（Delay Tolerant Network）协议体系，其中选取CS压缩技术作为应用层的图像压缩，选取LTP（Licklider Transmission Protocol）协议作为传输层的传输控制，选取 Spinal 码作为物理层的信道编译码。考虑到底层信道的纠错能力有限以及上层CS具备一定的容错译码能力，本文还在上述跨层联合传输的基础上引入了容错传输策略，利用CS的容错译码能力分担底层信道的纠错压力，进一步提出了基于上层容错的跨层联合传输方案。通过应用层、传输层和物理层三者间的跨层联合优化，建立了以传输吞吐量最大化为目标、以满足最低重构质量为约束的传输模型。以Gilbert-Elliot模型为深空信道模型，对所提模型进行了优化问题求解。以模型的优化问题求解结果为依据，结合信道状态预测，通过动态调整传输参数，所提跨层联合传输方案即实现了探测图像高效率的回传。　　为了验证所提传输方案的可行性和有效性以及评估其传输性能，本文建立了相应的仿真平台，采用MVC（Model View Controller）设计模式对所提传输方案进行了软件实现，然后在相应程序框架的基础上进行图像压缩与传输系统的硬件平台实现，通过将软件与硬件平台相结合，搭建了完整的半实物仿真平台。仿真实验选取地球与火星之间的数据传输链路作为深空通信仿真场景。通过对多种传输方案进行仿真实验，对比和评估传输方案的传输性能。根据仿真实验结果分析得出，深空通信中采用基于上层容错的跨层联合传输方案的传输性能要优于其它传输方案，特别是相比于深空通信中常采用的重传无信道预测方案，在同等条件下显著提升了传输吞吐量。