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。     

卫星移动通信系统星间链路设计

通过对现有的卫星移动通信系统星间链路的分析发现 ,不但卫星移动通信系统星间链路的指向具有周期性变化的特性 ,而且星间链路的相对距离也在周期性变化。这种星间链路指向的周期性规律变化 ,为星间通信链路的搜索建立以及星间通信设备的设计制造提供了研究的方向和理论依据。对星间链路的误码率的分析 ,主要探讨了由于卫星星体振动而引起的通信误码与振动的标准偏差 (幅度 )、通信所使用的光波波长、发射到接收的距离以及激光波束半径之间的关系 ,为实际星间链路的设计打下了坚实的理论基础。     

QPSK空间相干激光通信仿真与实验北大核心CSCD

相干激光通信因其具有高通信速率、复杂编码格式、极高灵敏度,已成为星间高速数据通信的重要技术之一。本文设计了一种QPSK空间相干激光通信系统链路,给出发射端二进制电信号到激光载波相位的调制映射表,和接收端激光载波相位到二进制电信号的解调映射表。对设计的空间相干激光通信系统链路进行数字化仿真,以星座图的EVM作为核心指标衡量系统性能,仿真分析接收端入射光功率、接收端光放大器噪声系数等因素对EVM的影响。根据仿真结果搭建相应通信链路,在输入光功率为-45 dBm、-48.5 dBm时,经测试得到相应星座图EVM分别为17.8%、24.4%,与仿真结果较符合。     

基于异步通信链路的星间基线精密测量技术研究

卫星成员之间信息共享、星间基线测量是分布式航天器(Distributed Spacecraft,DS)实现多星协同完成天基虚拟探测任务的关键技术。该文提出一种分布式航天器星间通信/基线测量的综合链路体制,重点研究了基于星间异步通信链路的双向异步传输帧非相干扩频测距的方法,详细给出算法的计算公式推导和模型误差分析。技术验证系统的实验结果表明该文提出的方法性能指标先进、信道利用率高、功能集成度高,为型号任务提供了一种先进的设计理念。     

基于数字相干体制的激光测距数传一体化技术研究与实现

针对传统微波测控通信系统通信速率与测量精度难以同时进一步提升的问题,提出了一种光载波下基于调相体制的高精度测距、测距与通信一体化方法,利用QPSK数字相干激光通信速率高的特点,设计综合信息帧格式,结合双向单程测距与非相干测速,在单个光载波下通过激光通信中的再生时钟得到比特相位级高精度测距信号,实现激光高速通信与高精度测量的一体化,提高信道的集成度。研制了包含两套光学天线及终端的原理样机,验证了星间双向非相干激光链路统一测控与星地双向非相干激光链路统一测控模式,结果表明,在1 550 nm波长无线光信道条件下,测距随机差（1σ）≤1 cm（0.78 cm @6 kHz多普勒动态）,测速随机差（1σ）≤1 cm/s（0.221 cm/s @ 6 kHz多普勒动态）,误码率≤1×10-9狜10 Gb/s单通道传输速率的性能指标,可为激光统一测控系统及激光星间链路设备等提供技术支撑。     

毫米波星间通信测距一体化技术研究

近年来卫星编队飞行和星间链路技术成为了航天领域的研究热点。在这种趋势之下,需要通过星间的相互通信与相对位置测量来保障编队构型的相对稳定以及实现星间协作。将星间通信和星距测量融合到一体化平台中可以实现通信测距一体化,能够降低负载,符合当前卫星的发展趋势。针对卫星毫米波星间链路设计了一体化波形,同时提出一系列信号处理技术完成波形的同步以及分离,实现了星间通信测距一体化。针对分离波形以及功放非线性对通信信号的影响,使用了基于深度学习的信号检测算法,降低了通信数据的误比特率。仿真结果验证了所设计的一体化波形及信号处理技术在星间链路应用的可行性。     

星间激光链路数据中继技术研究进展

基于高性能激光链路构建高速安全的数据中继卫星系统可为不同轨道、不同功能的对地观测卫星和用户航天器提供大容量、无缝隙的数据中继服务,在军事和民用领域均具有广泛的应用前景。以欧洲为代表的发达国家相继开展了星间激光链路数据中继技术的理论研究和星上演示验证,并启动了相应的工程验证计划。综述了国内外星间激光链路数据中继技术的研究现状,对几种典型激光链路数据中继卫星系统,着重研究了系统结构、激光终端及模拟验证实验。最后,分析了数据中继卫星激光链路组网中着重关注的几个方向。     

空间引力波探测超前瞄准机构研制与测试

探测低频引力波需要脱离地缘噪声干扰，在空间搭建激光干涉引力波探测装置。太极、LISA、天琴等空间引力波探测任务，计划在几十万到几百万公里量级的臂长上实现皮米级的位移测量精度，以满足引力波探测的要求。在探测任务中，考虑轨道季节性变化和星间激光传输时间等因素，发射光束需要一个超前角度，确保远端望远镜能够接收到光束，从而完成星间激光干涉。针对发射光束需要超前角度的需求，设计并研制了一款用于激光干涉链路中提供超前角度的光束指向机构，即超前瞄准机构。该机构基于将偏转轴配置在反射镜面上的设计理念，采用柔性铰链和杠杆配合的结构形式，利用压电陶瓷自闭环进行驱动控制，实现光束一维高精度偏转。对该机构进行仿真分析，验证其力学特性以及偏转范围。对所研制的机构进行了一系列实验测试，结果表明，该机构偏转范围可达到709.4μrad，偏转精度可达到0.44μrad，机构偏转引起的光程差优于10 pm/(Hz)^1/2 (1～10 Hz)。从而验证了该机构设计的可行性，为实现光束超稳高精度偏转提供一定的参考。     

一种轻小型、低功耗星间激光通信系统

针对当前微小卫星组网场景下的星间链路需求,提出了一种以小型化、低功耗为特色的低速率星间激光通信系统设计方案,介绍了空间激光通信领域的国内外发展现状,重点介绍了系统的设计思想,系统组成及各部分的核心设计要点及关键元件的选型,并对链路可行性进行了分析.     

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。     

太极计划激光链路构建地面模拟控制系统研究

太极计划需要通过激光捕获指向系统实现两颗卫星之间超长距离(3×10⁶ km)的激光链路构建，并且实现1μrad的捕获精度以及■(1 mHz～1 Hz)的指向抖动控制精度。空间引力波探测提出利用星敏感器(STR)、互补金属氧化物半导体(CMOS)捕获相机以及四象限光电探测器(QPD)等三级探测器逐步构建双向激光链路的方案，并最终通过差分波前传感技术(DWS)测量的高精度姿态信息来实现超稳的激光指向抖动控制。目前该方案仍处于理论论证阶段。为了测试该方案，采用实验室现有激光捕获指向一体化的光学系统以及一块ZYNQ芯片的自研板卡，尝试实现整个激光链路构建过程的全自主控制流程。实验结果表明：在大气环境下，成功自主完成了双向激光链路的构建，最终对应到实际系统望远镜前的捕获精度达到了0.07μrad，指向控制过程的控制精度在太极计划的敏感频段内达到了■，能够满足任务需求。实验成功验证了激光链路构建方案的可行性，为下一步太极计划激光链路构建控制系统工程实施阶段的板级实现奠定了基础。     

标准化星间激光通信链路接口模型设计方法

在星间数据交换过程中,同时传输不同类型的数据会对系统性能产生较大影响。为统一传输制式,提高数据传输效率,提出星间激光链路接口模型。在星间激光链路接口模型中,针对节点卫星数据处理转发效率低的问题,设计数据帧调整单元整合不同信源的数据;针对空间信道随机错误对系统性能影响较大的问题,添加链路传输处理单元提高激光链路传输的可靠性。研究了星间激光链路接口模型在中继卫星系统与分布式卫星系统中的实现方法。结果表明,采用星间激光链路接口模型后系统传输效率提升了49.93%,纠错性能提升了3.01 dB。     

低轨通信星座星间链路特点研究

随着全球宽带通信需求的增长,世界各国提出并建设了多种低轨通信星座,我国的卫星互联网系统也在紧张建设中,星间链路将是通信星座系统的重要组成部分。为研究星间链路特点和建链需求,以极轨通信星座为例,从几何角度给出了星间链路指向角和距离的数值计算公式,分析了顺行轨道星间链路的变化规律,并进一步研究了异轨星间反向缝建链的特点。研究结果表明,选取合适的星座参数,可以实现卫星跨反向缝的接续建链,从而保证反向缝两侧卫星之间始终存在可用的通信链路。     

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。     

星间光通信链路稳定保持时间估算

针对目前星间光通信链路信号传输有效时间较短的问题,提出了双向激光链路跟踪稳定性的概念,分析了多种因素对跟踪稳定性的影响。综合接收信噪比、相对运动角速度和链路性能要求等因素,建立了链路稳定时间的期望公式。利用Simulink建立了双向激光通信链路跟踪仿真模型,通过仿真验证了理论公式的正确性。为实现星间光通信链路保持长时间稳定,提出在不同星间相对运动速度下采用不同控制参数的方法,实现了星间光通信终端控制策略优化,对今后卫星光通信航天工程化应用具有一定的意义。     

空间编队卫星平台激光通信链路组网技术

研究了三维变轨卫星群组成的机动平台中基于激光链路的主星与子星相互间波束点对点多信号持续跟踪、瞄准、捕获技术,提出了基于波分复用(WDM)的星间激光链路通信组网思路,分析了编队卫星激光通信系统的拓扑结构和光码分多址(OCDMA)接入,这样就形成了基于WDM/OCDMA的编队卫星网络.初步探讨了未来天基宽带卫星激光通信网的基本框架.     

双层卫星光网络半实物仿真演示系统设计

设计了适合星间激光链路的零相位因子LEO/MEO双层卫星光网络结构.基于稳定拓扑双层卫星光网络提出了实验室仿真演示系统构想.演示系统分为实际网络和虚拟网络两部分,由OPNET提供虚拟仿真环境,利用移动无线激光通信模拟卫星光网络时变拓扑.最后利用SITL(System-in-the-Loop)模块将两部分网络互联实现交互式仿真.     

基于整网估计的星间链路天线相位中心偏差在轨特性研究

星间链路(ISL)是我国北斗三号克服区域布站、实现高精度服务的关键,其天线相位中心偏差(PCO)在设备出厂时会依据质量、设计姿态进行地面标定,但在卫星发射、入轨及在轨阶段,燃料消耗、天线展开姿态等均会引起卫星质量与姿态的变化,这将导致在轨的PCO与地面标定值不一致 ,该变化量会作为误差引入到测量值,进而影响卫星轨道确定精度。因此,该文研究了在轨卫星的星间链路天线相位中心偏差标定方法,联合星间、星地观测,建立了基于整网估计的星间链路天线相位中心偏差在轨估计方法,并利用两周的实测数据进行对北斗三号所有中轨卫星(MEO)进行验证,同时结合卫星生产商、轨道面进行在轨特性的详细分析,最后验证了其对轨道确定精度的影响。结果表明,该文方法可有效估计在轨卫星星间链路天线相位中心偏差,并发现,卫星在轨后大部分卫星的星间链路天线相位中心偏差基本与地面一致,但C36, C37, C41, C42卫星在Z方向与地面标定值存在15 cm左右的偏差,C25, C26, C43, C44在Y轴上存在符号相反的现象,且数值上有10 cm左右的偏差,C25, C26卫星在Z方向上存在近30 cm的偏差,正确标定在轨卫星星间链路天线相位中心偏差后,相比地面标定产品,轨道精度可提升15%。     

卫星相干光通信跟瞄误差对链路性能的影响

以星间相干激光通信链路的接收机相干效率为研究对象,分析了动态跟瞄误差对相干效率的影响,将相干效率引入到星间相干激光通信链路方程,推导了跟瞄误差波前失配条件下的相干光通信链路的误码率概率表达式,对卫星激光通信链路中跟瞄对准误差导致的相干效率下降、链路误码性能劣化情况进行了仿真计算。结果表明,由于跟瞄对准误差波前失配的影响,相干激光通信接收终端具有一个优化的接收孔径,在本仿真条件下,LEO-GEO星间链路动态跟瞄误差为0.5μrad时,优化接收孔径为0.5 m,链路可获得最佳误码性能。     

激光星间链路发展综述：现状、趋势、展望

由于激光通信在空间传输中波长短且方向性强,已成为下一代卫星通信与导航的重要手段。激光星间链路的高速率、高带宽、高安全性等特点,可以提供高质量卫星空间通信,同时其还可以提高星间测距的精度,因此,构建激光星间链路成为下一代卫星网络的研究重点之一。文中首先从技术层面介绍激光星间链路的基本组成,主要介绍了卫星激光建链模式、卫星激光信号调制模式及卫星激光载波波长三个重要技术点。从技术到现象,根据不同轨道高度和不同的任务需求,按照发射时间顺序综合调研并总结了近年来国内外典型中高轨和低轨卫星激光通信成果的发展现状与未来计划。通过调研,进一步从宏观角度分析出卫星激光通信发展标准化、兼容化、网络化和商业化四个趋势,并从微观角度总结了卫星激光终端弹性化和模块化的发展方向。最后,除了作为通讯手段,展望了星间激光链路用于卫星激光测距的良好前景。通过对激光星间链路的现状、趋势和展望的综合分析,旨在为未来激光星间链路的设计与优化提供一定的借鉴和参考,并为我国未来星间激光通信和测距技术的发展及研究提供方向参考。