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。     

星地激光通信链路瞄准角度偏差修正及在轨验证

在我国首次星地激光通信链路地面捕获实验初期,由于激光通信终端地面光机装调和整星安装过程中存在的系统误差,在瞄准过程中存在8mrad的瞄准角度偏差,且平均捕获时间大于40s,严重影响星地光通信链路捕获性能。基于此,利用立方棱镜坐标系为桥梁,建立了基于坐标变换的卫星本体坐标系与终端基准坐标系的修正变换矩阵,通过地面坐标系测量,最终对光束瞄准角度偏差进行了有效补偿。海洋二号卫星在轨实测结果表明,星地激光通信链路的瞄准偏差由最初的8mrad减小为0.8mrad,捕获扫描范围显著缩小,链路平均捕获时间由最初的40s减小到小于5s,明显优于国外同类型终端在轨实验性能,对卫星激光通信链路捕获性能的提高具有重大意义。     

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。     

无线激光通信技术的实际应用

无线激光通信技术根据应用场合分为近地无线激光通信和星际激光通信.近地无线激光通信在地面架设,具有适合在特殊地形、地貌工作,带宽大,无电磁辐射,抗电磁干扰,机动灵活等特点,成为无法敷设光缆场合的有效补充手段.星际激光通信用于卫星之间,卫星与地面之间的信号传输,通信容量大,弥补了微波传输容量的不足,是未来星际通信的发展趋势.     

自由空间激光远距离传输的地面模拟研究

根据透镜的傅里叶变换性质,提出了采用光学傅里叶变换加级联光学成像放大并结合有限口径接收的方法来实现自由空间激光光束远距离传输的实验室模拟。由此原理设计了自由空间激光远距离传输模拟装置,该装置主要由大口径、长焦距的傅里叶变换平行光管和三级成像放大镜所组成,最大等效传输距离达2.4×105km,可用于星间激光通信终端综合通信性能的评估,在设定的误码率下测量终端可能的通信距离,或者在设定的作用通信距离下检测通信的误码率。     

国外激光链路中继卫星系统的发展与启示

激光链路中继卫星系统是指以激光波束为媒介,为低轨信息获取类卫星提供高速数据传输服务的卫星系统。国外已开展了多次星间、星地激光通信实验,已由强度调制/直接探测通信体制过渡到相位调制/相干解调通信体制,通信速率可达5.6 Gbps。卫星激光通信正向更高通信速率、组网应用、终端小型化、轻量化方向发展。在系统分析欧洲、日本、美国等国家典型星间、星地激光通信实验和中继卫星发展计划的基础上,讨论了激光链路中继卫星系统的发展趋势,总结得到对发展我国激光链路中继卫星系统的若干启示。     

美国月球激光通信演示验证——终端设计

2013年9月6日,美国宇航局(NASA)发射了月球大气与尘埃环境探测器(LADEE)飞船。针对LADEE上进行的月球激光通信演示验证(LLCD),从终端设计方面进行综述。LLCD系统主要包括一个安装在LADEE上的太空终端、三个地面终端以及一个协调该演示验证的地面运行中心,其中太空终端主要与一个多孔径望远镜阵列地面终端完成最高数据率为622 Mb/s的下行链路以及最高数据率为20 Mb/s的上行链路。考虑到该地面终端所在地的天气因素,又选择了两个备用地面终端,用来提供地理多样性,支持该演示验证。     

卫星光通信终端CCD成像光斑弥散圆尺寸选择

利用CCD对自由空间传输的激光进行成像,可得到入射光束的角度信息以实现对发射光束的控制。卫星光通信中,提高对入射光束角度偏差实时测量的精度,可以有效地提高终端的光束跟踪性能,进而有效地保持激光链路的稳定。通过分析角度偏差检测原理,建立了卫星光通信中跟瞄装置测角性能分析模型。分析了测角精度与CCD成像光斑弥散圆尺寸之间的关系,并通过模拟实验进行了验证。结果表明,在卫星光通信系统设计中,综合考虑测角精度要求、终端功耗限制等因素,选择CCD成像光斑相对尺寸在2到3之间为最佳。     

平流层多波长自由空间光通信系统

以近地面大气作为传输介质的大气激光通信(FSO)受地面情况和复杂的气象条件影响很大,传输的信号质量会受到很大干扰。本文介绍以底部平流层大气作为远距离激光通信信道选取平台的使用,以及多路多波长激光传输在此平台下的应用。这种技术可以增大传输距离并降低大气不稳定性对通信链路的影响。本文以模拟试验结果为例分析了系统效果和可行性,试验模拟了大气湍流效应对光路的影响。     

星地光通信发展状况与趋势

星地之间日益增长的高数据率和大通信容量的通信需求，必须用光通信来实现。否则卫星光网与光纤光网之间将形成传输“瓶颈”，限制通信的发展。美国的激光通信演示系统、光通信演示和高速率链路设备、空间技术研究卫星2实验、同步轨道轻量技术实验、火星激光通信演示系统，日本的激光通信实验装置等均对星地光通信进行了有成效的探索。中国也在跟瞄（APT）、光相控阵和新型星地通信等研究方面不断探索。如何提高跟瞄系统的性能，如何克服空同大气影响，如何将数据传输率提高到每桫吉比特并实现低误码率，如何使卫星与地面光纤网相连将是未来星地光通信的发展趋势。     

星地激光通信链路地面集成测试系统的构建

针对星地激光通信链路的地面集成测试需求,提出了一种地面集成测试装置的构建方案,该方案可有效解决真实通信终端在地面环境下的相互捕获、跟踪、瞄准及通信等功能验证问题.     

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。     

国际试验确认卫星线路的性能

国际试验确认卫星线路的性能由日本通讯研究实验室和美国喷气推进实验室组成的一研究组正在进行日本工程试验卫星（ＥＴＳ－ＶＩ）和美国地面站之间的激光通信试验。预计跨越整个１９９６年的该试验，其目的是检验空间一空间激光通信和地面一空间激光通信系统的性能。最近...     

低中轨道双层卫星光网络的分时切换半实物仿真演示系统

为精确模拟验证低中轨道（LEO／MEO）双层卫星光网络及其关键技术,按1：30的比例设计了分时切换双层卫星光网络半实物实验演示系统。系统包括计算机仿真环境和硬件平台两部分,通过SITL模块互联而成。软件部分由虚拟网络组成,实现灵活、可扩展的配置;硬件平台由1个圆形往复转台、6个伺服机构、6个无线激光通信终端和6组自动追...     

2.3km、1.25Gb/s空间移动平台激光通信实验

介绍了一套基于空间移动平台的完全脱离PC机的高实时的无线激光通信演示系统,用通信终端的相对运动来模拟实际卫星间的相对运动.实验实现了2.3km距离、1.25Gb/s速率的自由空间移动平台光通信,通信系统主要分为APT和通信两大部分.实验很好地实现了移动平台间的光通信,达到了设计要求.     

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。     

激光链路中继卫星系统网络设计及性能分析

随着卫星激光通信技术的发展,激光链路中继卫星系统将成为未来天基信息系统的骨干网。首先设计了一种2颗国土星+2颗境外星的网络架构,然后借助地面程控交换技术分析方法,定义了光网络性能指标,最后仿真了激光链路中继卫星系统的网络性能。仿真结果表明,当每颗用户卫星通信业务量为0.2 Erl、接入损失概率要求不大于0.2、链路利用率不小于0.6的情况下,激光链路中继卫星系统的12条接入链路可以支持50颗用户卫星接入。     

用激光在卫星之间连通的第一条光通信线路

用激光束作信号载体首次在地球轨道卫星之间建立了光学数据通信线路。这些卫星可及时地将各种数据、图像从空间传递到地面。 该实验性光学数据通信线路由法国航天局的地球观测卫星Spot-4上的半导体激光星际通信     

卫星激光通信复合轴光跟瞄技术及发展

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,其中光学跟瞄系统的设计和控制是关键技术之一。由粗跟踪系统和精跟踪系统组成的复合轴系统能实现光跟瞄系统的大范围、高精度跟踪任务。对卫星激光通信光学跟瞄系统的特点和关键技术进行了讨论,介绍了光跟瞄技术中的扫描、捕获、指向、跟踪过程,综述了复合轴光跟瞄控制系统的国外研究进展。最后对卫星激光通信复合轴光跟瞄系统的应用前景进行了展望。     

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。