卫星通信链路设计方法与实例研究

卫星通信链路设计是指根据卫星通信系统网络结构和业务需求所提出的卫星网络的可用度和误比特率等性能要求,对卫星链路进行设计和计算,以确定卫星地面站的天线口径、发射功率,以及载波特性的方法。文章对卫星链路设计基本概念和方法进行了介绍,并通过一个实例介绍了一款链路设计的软件,对卫星通信网络规划设计工作具有较强的实际指导意义。     

导航卫星星间数据安全处理方法

本文提出了导航卫星星间数据安全处理方法,为确保星间链路传输数据的安全,必须根据不同数据的特点进行安全体系和安全算法的设计。以便运行在境外的卫星不同类型的数据,包括遥测遥控数据,能够通过多个星间链路可靠传输到境内卫星,与境内地面站进行数据交换,提高导航卫星的可测控能力。     

临近空间光传输网络结构设计

利用高性能激光链路互联临近空间平台,组建临近空间平台光网络,向上可与卫星互联,向下可与地面站互联,能够实现高速、大容量及远程数据中继。从构建临近空间光传输网络结构出发,首先根据平台之间连接方式的不同,列举出四种可能存在的HAP网络拓扑结构;然后从云层高度、大气效应、微波接入需求和临近空间环境四个方面总结了影响HAP网络结构设计的因素;最后参考以上分析结果,对波长资源受限的多平台网络拓扑进行分析。     

卫星传输链路连通状态建模与仿真

通信卫星在信息的获取、传输、交换和应用中尤为重要。为保证卫星在有限时间将数据下传至地面站以完成数据传输任务,使用计算机仿真对卫星通信链路的连通性进行分析建模与仿真。通过选择5个地面站,实时仿真出轨道倾角为60°与97°时卫星与地面站通信的时间及可通信地面站的名称。有利于地面站对即将过站的卫星作出预警并合理规划数据接收的准备工作,为星地数据传输规划提供有力的参考。     

云层对自由空间光通信传输特性影响

通过对高云和冰水混合云的分析,提出了适合大气信道的链路模型.在此基础上讨论的云层的衰减情况,并与大雾做了比较.结果表明,水云的光学厚度随冰水容量比的增加而降低,冰云的光学厚度却呈增长趋势,随着云层厚度的增加,接收端功率呈指数迅速递减.     

基于空间激光通信组网四反射镜动态对准研究

空间激光通信全光链路组网具有较高的通信速率,决定了其在未来全球空间通信领域中的重要地位及发展方向。全光链路组网需解决一点对多点的光学链路问题,不同方法所涉及的结构和跟踪控制方式会有较大差异。基于全光链路组网光学原理,提出了一种轨面四反射镜光学天线结构。基于链路组网方案的光学动态跟踪原理进行数学建模,给出链路通信节点间动态对准时光学参量间的关系,并对数据进行分析,可用于空间激光通信终端捕获、跟踪、瞄准(ATP)控制系统。提出了一种低轨双链路列队卫星组网方案,将激光通信终端光学天线四跟踪平面反射镜的工作面置于卫星轨道平面链路节点处,可实现低轨全光链路空间激光通信组网。     

天基观测条件下复杂环境对空中弱小目标可探测性的影响

针对天基观测复杂环境下空中弱小目标远程广域探测的需求,立足于天基光学探测链路,分析太阳光照、云层及地表等复杂背景环境与目标辐射的相互作用机理,在此基础上提出影响天基目标光学特性的探测场景环境要素;然后结合目标的可探测性表征,分析在不同探测谱段情况下,不同光照、地表背景类型及云层等复杂环境要素对目标可探测性的影响规律;最后以某典型目标为例,结合现有的目标特性认知与理论建模,分析得出复杂环境要素的影响排序,并根据目标信杂比随谱段的变化特性,提出探测谱段的优选建议,为我国隐身/反隐飞行器设计、探测系统设计及信息处理算法优化提供理论依据与科学指导.     

有云层干扰的光学遥感图像舰船检测算法

针对海面光学卫星遥感图像舰船检测中云层干扰所产生高虚警率的情况,提出一种基于串并联混合多维特征融合判决的舰船目标检测算法。首先,利用高斯灰度阈值分割目标与海面云层背景,并对分割后的二值图像进行区域标记;然后,利用感兴趣区域的几何形态和边缘能量两类特征,包括中心偏移度、长宽比、面积变化比、曲折度和填充度,构建了串并联混合多维特征融合判决方法;最后,通过对感兴趣区域进行综合鉴别,有效剔除了云层干扰导致的虚警,解决了含云层背景检测结果虚警率高的问题。对多幅SPOT4光学遥感卫星图像的实验结果表明算法的有效性。     

基于VSAT的卫星通信系统链路的设计

文章首先选定卫星并给出地面站的初始参数,对卫星与地面站之间的链路进行预算,进而给出要设计的发射天线的增益、发射功率、接收天线的增益与接收灵敏度：并对卷积码的原理和性能进行了分析,以卷积码为信道编码对卫星链路进行了优化设计。     

自由空间量子密码通信中量子密钥比特率研究

通过引入量子信道传输率、单光子捕获概率、检测因子和数据筛选因子,给出了自由空间量子密钥分配中量子密钥比特率的表达式.针对低轨卫星-地面站间激光链路,进行了量子密钥比特率的数值仿真研究.结果表明,在低轨卫星-地面站间进行量子密钥分配是可行的.     

基于浮空平台的星地激光中继通信系统设计

针对星地激光通信受大气环境影响较大,无法全天候工作的难题,可考虑在18～22 km的平流层高度部署星地激光中继通信系统。其中卫星与平流层中继系统间采用激光通信,平流层中继系统与地面间采用大容量毫米波通信,基本消除大气环境(云、雨、雾、大气湍流等)对激光通信的影响,提高星地激光馈电链路可用度。受限于平流层平台成熟度不足,需首先开展基于成熟浮空平台的星地激光中继通信系统研究,先期对缓慢移动浮空平台搭载激光通信载荷与卫星间链路对准,激光通信载荷在浮空平台顶部柔性表面安装可行性等关键技术进行验证,为后续在平流层高度部署临近空间信息网络提供技术支撑。     

全双工逆向调制回复空间光通信系统性能评价

基于逆向调制反射器(MRR)的空间光通信系统因其结构紧凑、可免去链路一端的捕跟(APT)系统、功耗低等优点,是空间光通信系统研究热点之一。提出采用双波长激光发射实现全双工逆向调制回复空间光通信结构,并基于该结构对强度调制解调模式,通信距离为300 km,通信速率为1 GHz下的地面站对近地小卫星全双工通信链路进行了链路计算及通信误码率的分析。当MRR端口径为0.1 m时,通信链路余量大于5 dB,通信误码率优于10-15,满足通信链路的要求。并进一步分析了仿真结果存在的缺陷。结果表明所提出的空间光通信结构在小卫星对地面站全双工激光通信是可行的,是未来空间光通信系统发展趋势之一。     

星地链路空间光至单模光纤耦合效率补偿特性研究

在入射光瞳面处针对星地激光链路中空间光至单模光纤耦合效率补偿特性进行了研究,依据星地下行链路特点,对星地下行链路光纤耦合效率模型进行分析。在此基础上,利用基于单模光纤后向传输模场为加权函数的加权孔径正交多项式,建立光纤耦合接收系统波前相位模式补偿理论模型,运用该理论模型,通过数值模拟对波前相位进行模式补偿,给出波前相位模式补偿下平均光纤耦合效率与接收孔径尺寸和相位补偿项数的变化关系,以及典型接收孔径下采取一定项数的波前相位补偿后光纤耦合效率概率分布,为基于光纤耦合接收方式的星地激光通信链路波前补偿系统设计提供一定理论参考。     

大气湍流影响星地相干激光通信的数值仿真

由于解析法在研究相干光通信的相位补偿等问题中存在困难,采用多层相位屏分步传输的数值仿真方法研究大气湍流对星地相干光通信下行传输的影响。首先建立了卫星地面之间的大气湍流中激光传输的仿真模型,可以实现不同天顶角和不同湍流条件下的光传输仿真计算。然后用其进行地球同步轨道(GEO)卫星下行光通信的数值仿真分析,并通过与理论值的对比来检验算法的可靠性。最后结合二进制相移键控(binary phase shift keying, BPSK)相干激光通信系统的误码率（bit error rate, BER）模型,计算分析了下行激光通信信号的衰落系数和BER。     

Research on the system error performance of coherent orthogonal frequency division multiplexing system with M-distribution in satellite-to-ground laser communication

In order to alleviate the influence of atmospheric turbulence on the performance of satellite-to-ground laser communication system,based on the M-distribution atmospheric channel model,a multi-carrier coherent orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) modulation system was proposed for uplink and downlink in the satellite-to-ground laser communication.The closed-form expression of bit error rate (BER) of coherent OFDM modulation system was derived.The relationship between the zenith angle,receiving aperture,signal-to-noise ratio (SNR),optimal beam divergence angle,and optimal transmission radius and the BER were studied under weak,and strong atmosphere turbulence,and compared with binary coherent differential phase shift keying (DPSK) modulation.Both the theory and the simulation results show that compared with coherent DPSK modulation,the bit error performance of the coherent OFDM modulation system in the satellite-to-ground laser communication system is better.     

自适应光学对星地相干激光通信性能改善研究

相干激光通信能够实现每秒数百吉比特的通信速率和接近量子极限的灵敏度,在未来天地一体化信息网络中具有广泛的应用前景。大气湍流引入的光学波前畸变是影响星地相干激光通信链路性能的重要因素。本文将自适应光学技术应用于大口径光学地面接收站,并系统地开展了4 Gbps高速相干激光通信试验,试验结果表明,自适应光学技术能够有效抑制中等大气湍流的影响,并提高相干激光通信的灵敏度和稳定性。     

一种星地激光通信载荷预对准算法研究

提出了一种基于GPS实时轨道预报计算星地激光通信载荷预对准方位俯仰角度的算法。算法考虑了卫星在轨运动过程中卫星姿态的变化及星地载荷安装角度的影响。对算法进行了软件仿真,给出了卫星经过地面站过程中星地载荷方位俯仰角度随时间变化曲线。利用专业星地链路分析软件STK(satellite tool kit)完成了算法的对比验证,对验证结果进行了分析,结果表明,算法能够准确计算星地载荷方位俯仰指向角度,与STK软件计算结果一致,具有很高的实时性与准确度。     

空间激光通信网络中的全光相位再生技术

围绕空间激光通信网络中高速数据多跳传输应用需求,针对相位调制激光链路经过空间长距离传输后信号质量劣化的问题,研究了基于相位敏感四波混频参量效应实现二进制相位调制高速激光信号的全光相位再生技术。利用Matlab软件数值分析了全光相位再生系统的影响因素,并基于OptiSystem仿真平台搭建了全光相位再生系统。结合高轨-地面站空间激光通信系统链路预算,对速率为10 Gbit/s的DPSK信号光经背靠背、相位噪声劣化以及劣化后全光相位再生处理三种传输场景进了对比分析。模拟仿真结果与数值分析结果均表明,与劣化后未经再生处理的系统相比,全光相位再生处理后的系统误码率平均优化4个数量级,信噪比提升约3 dB,表明该空间激光通信全光相位再生技术可实现相位调制信号的全光相位再生,能够有效提升空间相干激光通信系统的性能,可以应用于空间高速激光通信网络中继节点处的全光数据中继等方向。     

远场16km精跟踪系统实验研究

基于FPGA的精跟踪系统结构和工作原理,跟踪控制采用自适应模糊PID算法,在线实时动态调整PID参数值,在16km的星地光通信的精跟踪系统演示实验中实现了对通信光束功率(1550nm)的稳定,极大地提高了通信中1550nm光功率耦合效率,通过实验数据分析,精跟踪系统的跟踪精度达到了2.4μrad。     

星地光通信中的精跟踪系统远场验证

 在星地光通信中,精跟踪系统的性能决定了整个APT系统的跟踪精度和带宽,是通信成败的关键因素。基于大容量图像数据实时处理和复杂控制,设计基于FPGA的并行处理精跟踪系统。跟踪控制算法采用自适应模糊－神经网络算法,可以实现系统参数在线实时动态调整。通过16Km的精跟踪系统演示实验,精跟踪系统抑制了平台振动和大气湍流对接收光功率的影响,有效提高了通信光束1550nm的光功率耦合效率,通过实验数据分析,精跟踪系统的跟踪精度达到了4.87μrad。