美国月球激光通信演示验证——实验设计和后续发展

针对2013年9月6日美国宇航局(NASA)发射的月球大气与尘埃环境探测器飞船上进行的月球激光通信演示验证(LLCD),从实验设计和后续发展方面进行综述。实验中,飞船上的LLCD太空终端与主要的月球激光通信地面终端或与欧洲空间局的月球激光通信地面系统完成双向通信,而与美国喷气推进实验室的月球激光通信"光通信望远镜实验室"(OCTL)终端仅进行下行链路通信。LLCD系统还进行了优于厘米精度测距的双向飞行时间测量。未来NASA的激光通信中继演示验证任务将基于LLCD系统的相关设计。最后对LLCD的启示进行了讨论。     

卫星激光通信Ⅰ链路和终端技术

卫星激光通信具有巨大的潜在应用价值,国际上已实现高码率、小型化、轻量化和低功耗激光通信终端,全文的第一部分即“链路和终端技术”综述了卫星激光通信的国外进展,介绍了终端的关键技术,讨论了终端设计思想。第二部分(另文)将讨论和介绍卫星激光通信终端地面检测和验证技术。     

小型变焦无线光通信终端ATP技术研究

通信目标光学捕获对准技术不依赖GPS和无线通讯手段、不易受强电磁环境的干扰,是发展轻小型化激光通信的重要方向。本文针对轻小型化无线光通信终端天线展开研究,设计了切换变焦形式的光学天线,构建了以变焦光学天线为基础的无线光通信终端模型,通过链路功率核算,验证了变焦前信标光和变焦后通信光链路的有效性。本设计为激光通信系统的便携式应用提供重要技术支撑。     

基于迭代学习控制的潜望式激光通信终端系统的动态跟踪设计

为提高潜望式激光通信终端伺服系统的动态跟踪性能,针对基于永磁同步电机的二维伺服转台的控制系统进行了设计。通过采取空间矢量控制方法实现电机的解耦控制,建立控制模型并完成了各控制回路的设计。针对动目标跟踪设计了迭代学习控制方法以提高通信终端的动态跟踪性能,并对控制系统的速度阶跃响应进行测试,分析通信终端系统的低速平稳性。最后,搭建了4.62 km激光通信的动态跟踪实验,利用六自由度转台模拟平台抖动,为动态跟踪验证实验创造外部平台扰动条件。实验结果表明:通信终端系统速度阶跃响应的稳态误差为±0.02 (°)/s,表明伺服系统速度回路具有较快的动态响应特性和较高的稳态精度,在最大加速度为0.219 (°)/s2的正弦波扰动条件,二维伺服转台的动态粗跟踪精度可以达到62 μrad,粗精复合跟踪精度优于2 μrad,验证了通信终端伺服系统的有效性及其动态跟踪性能,为进一步提高终端系统的跟踪精度奠定基础。     

空间激光通信单探测器复合跟踪控制技术研究

空间激光通信终端伺服系统是一种高精度的跟踪机构,在扰动条件下,通信系统对跟踪系统的稳定性及精度提出了较高的要求。本文主要介绍了激光通信伺服系统的复合跟踪技术,详细论述了单探测器复合跟踪方式的选择以及激光通信伺服系统的控制流程。最后,在振动平台上进行了粗精复合的激光跟踪实验。实验结果显示,当通信终端系统跟踪最大振动加速度为0.22°/s2的振动平台时,跟踪目标平稳性较好,单独采用粗跟踪时误差为60 μrad,采用粗精复合跟踪时位置误差可以达到2 μrad。实验结果表明,空间激光通信系统中单探测器复合跟踪技术的设计满足了系统跟踪精度的要求,为激光通信控制系统的设计提供了一定的参考。     

卫星激光通信技术现状及应用展望

简单介绍了卫星激光通信技术的特点，以及空间激光通信技术的迫切需求。总体上构建了一个卫星激光通信的系统．并详细分析了卫星激光通信的关键技术和影响卫星激光通信性能的因素。最后结合国内外卫星激光通信技术的发展现状和水平，提出了我国大力发展卫星激光通信技术和应用系统的建议。     

卫星激光通信Ⅱ地面检测和验证技术

星间激光通信终端的主要技术指标和运行性能必须事先在地面实验室条件下进行模拟检验,因此在研制卫星激光通信终端的同时必须发展相应的系统性检测和验证平台,主要包括激光通信性能检验、光跟瞄性能检验和光束质量检验。本文综述了卫星激光通信终端检验技术的国外进展,介绍了我们全物理模拟的地面检测验证思路和方法。     

带有前置EDFA卫星相干激光通信终端的信噪比分析

卫星激光通信链路是一项实现卫星大规模星座组网的关键技术。相干激光链路灵敏度高、抗背景干扰、速率升级空间大,在星间激光链路中应用广泛。文章建立了带有前置掺铒光纤放大器(EDFA)的卫星相干激光通信终端的信噪比分析模型,仿真分析了EDFA功率增益、EDFA噪声系数、本振光功率、信号光功率、光放后端光带宽、基带前端电带宽对终端输出信噪比的影响以及各种输出噪声功率占比的情况,得到了带有前置EDFA卫星相干激光通信终端的信噪比参数特性。     

衍射光学元件在卫星激光通信终端中的潜在应用

卫星激光通信技术是目前通信技术领域的研究热点,而光学子系统的优化设计是其重要研究方向。主要介绍了利用衍射光学元件实现卫星激光通信终端的小型化、集成化和高效化。文中首先简要介绍卫星激光通信系统的基本原理,随后介绍了衍射光学元件在卫星激光通信终端中的各种可能应用,包括光束整形和分光,光学滤波,防反射镀膜,像差和热差补偿等。给出了一个包含衍射光学元件的激光通信终端光学系统优化设计实例,相应的数值仿真结果表明:衍射光学元件与传统光学元件相比,具有明显优势。     

GEO与LEO间激光通信轨道特性仿真

为了优化GEO与LEO间激光通信系统的性能,建立了卫星通信轨道特性仿真模型。通过对一年内卫星数据的分析可知,卫星通信终端间的多普勒频移变化范围约为5109 Hz,可以使用多普勒频移补偿方法减少GEO与LEO之间的多普勒频移影响。对于相干通信,终端必须进行频移补偿;提前量角的范围大于激光束散角,因此终端需要进行提前量补偿,激光通信系统可根据提前量角对视轴进行提前修正,以减少相对速度对激光通信的影响;太阳干扰和地球遮挡的时间较长,应该进行卫星组网以改善可通率,在通信过程中应根据通信终端时间,优化两个通信终端的工作流程;GEO和LEO终端的视轴变化情况不同,因此应该为卫星设计不同结构。     

液晶光学相控技术在卫星通信多接入中的应用

在空间激光通信、组网过程中,为了能够实现一颗卫星终端对多颗卫星终端的物理光束接入,从而使得一颗卫星能与多颗卫星实现数据分发、路由、交换等组网功能,对卫星激光通信捕跟过程中存在的多终端物理接入方法进行了研究。在基于液晶光学相控阵多波束生成能力和多波束赋形的理论基础上,设计了一种新型的多终端接入方法。该方法的核心是利用液晶光学相控阵的多波束生成与控制能力实现对多个终端的接入。对光束在远场光斑的位置信息以及接入过程中的衍射效率和能量损耗情况进行仿真来验证该方案是否满足空间激光通信终端接入要求。仿真结果发现接入过程中的衍射效率大于80%,能量损耗小于1 dB,表明该方案有效可行。     

基于图像特征相关度的激光干扰卫星效果评估

针对激光干扰光学成像卫星效果难以评估的问题,借鉴图像处理相关理论,将干扰前后卫星图像特征相关度作为评估指标,并采用HVS(人眼视觉系统)对指标进行修正,利用基于一致相邻度熵权的综合赋权方法,建立激光干扰效果综合评估模型。运用模型对受激光干扰条件下的卫星图像进行评估,得到的结论既能客观地反映激光干扰的实际效果,又能与人的主观感受保持较好的一致性,验证了模型在激光干扰光学成像卫星效果评估方面的适用性和科学性。     

卫星激光通信中光纤放大器的应用研究

介绍了卫星激光通信的特点,通过计算分析,提出了用于卫星激光通信光发射系统的高功率光纤放大器、用于光接收系统的前置光纤放大器的性能参数。给出了高功率光纤放大器和低噪声前置光纤放大器的实验方案。     

Optical Communications in Space – a Challenge for Europe

The successful test of a laser communication link between an ESA data-relay satellite and an Earth observation satellite marks a milestone in the development of optical space communications. It is the right moment to look back on more than 20 years of R & D effort in Europe. The paper gives an overview of the optical space communication activities at the European Space Agency (ESA), which have started in summer 1977, when ESA placed the first technology study contract in the domain of intersatellite optical links, and reports on the most recent European systems andhardware technology efforts aimed at the development of small and compact laser terminals for global mobile communication systems and satellite-based data networks.     

Development of LC Optics for Free-space Laser Communications

Free-space laser communications is a very flexible means to connect end users to a high-bandwidth data network via ground-based terminals on top of buildings or to bring a variety of data services to remote locations via satellite terminals in space. External influences on the optical link due to atmospheric turbulence and vibrations in the transmitter's environment require some method of beam control to stabilize the optical link and maintain a high transmission rate. Liquid crystal (LC) optics can provide a compact and low-power solution to beam control in laser communications systems. Besides reviewing recent Japanese activities in the field of free-space laser communications, this paper summarizes four years of research in designing and experimentally evaluating LC beamdeflectors and adaptive lenses that feature simple driving circuitry and have been manufactured specifically with regard to laser communications.     

空间激光通信高速多制式光调制技术

空间激光通信调制技术以幅度调制和相位调制为主,单一通信终端只能适应特定的调制格式,灵活性较差,存在星间链路组网应用的局限性。文章基于数字处理的光调制技术,采用LiNbO₃晶体正交相位调制器,结合闭环偏压控制算法,实现了光调制格式、调制速率可变的星载光调制器,并针对空间应用对幅度调制和相位调制方式进行了优化,最大化光纤放大器效率。该技术硬件实现了625Mb/s~5Gb/s通信速率分档可调,OOK,BPSK和QPSK调制格式可变,发射EVM优于9%,实际引入灵敏度损耗小于1dB。该调制器已经完成所有空间环境试验,可广泛适用于各种体制的激光通信终端,进行星地、星间激光通信建链。同时,该调制器具备模拟调制的功能,可实现星间微波光子信号的透明转发。     

Galileo卫星激光反射器的结构设计

卫星激光反射器的结构设计是激光反射器设计的重要内容,本文以Galileo卫星激光反射器为例,阐述了中高轨导航卫星激光反射器结构设计所需解决的问题和措施途径,包括结构总体布局、角反射器组件结构、材料设计、减振缓冲、静电防护、热控技术等;并针对航天环境载荷(结构装配、恒加速度、振动、冲击、热循环等),对激光反射器的机械和光学性能影响进行了分析、计算和讨论,以此验证结构设计的可行性;Galileo卫星实际测距效果理想进一步表明Galileo反射器结构设计的合理。