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微小卫星激光通信系统发展现状与趋势

高世杰 吴佳彬 刘永凯 马爽 牛艳君

高世杰, 吴佳彬, 刘永凯, 马爽, 牛艳君. 微小卫星激光通信系统发展现状与趋势[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2020-0033
引用本文: 高世杰, 吴佳彬, 刘永凯, 马爽, 牛艳君. 微小卫星激光通信系统发展现状与趋势[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2020-0033
GAO Shi-Jie, WU Jia-Bin, LIU Yong-Kai, MA Shuang, NIU Yan-Jun. Development status and trend of micro-satellite laser communication systems[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2020-0033
Citation: GAO Shi-Jie, WU Jia-Bin, LIU Yong-Kai, MA Shuang, NIU Yan-Jun. Development status and trend of micro-satellite laser communication systems[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2020-0033

微小卫星激光通信系统发展现状与趋势

doi: 10.37188/CO.2020-0033
基金项目: 国家自然科学基金(No. 11603024、No. 11973041)
详细信息
    作者简介:

    高世杰(1979—),男,吉林抚松人,博士研究生,副研究员,2003年毕业于哈尔滨理工大学获学士学位,2006年于中科院长春光机所获硕士学位,2015年于中国科学院大学获博士学位。主要从事光通信技术研究。E-mail:gaoshijie@ciomp.ac.cn

    吴佳彬(1988—),男,吉林舒兰人,博士研究生,助理研究员,2011年毕业于吉林大学获学士学位,2016年毕业于中国科学院大学获博士学位,主要从事光斑位置检测及快速偏转镜技术的研究。E-mail:wujb@ciomp.ac.cn

    刘永凯(1989—),男,黑龙江黑河人,硕士研究生,助理研究员,2012年毕业于哈尔滨工业大学获学士学位,2014年毕业于哈尔滨工业大学获硕士学位。主要从事高精度光束跟踪、指向与控制技术研究。E-mail:liuyongkai_ciomp@163.com

    马 爽(1987—),男,吉林长春人,博士研究生,助理研究员,2010年毕业于吉林大学获学士学位,2016年毕业于中国科学院大学获博士学位,主要从事大气激光通信调制解调技术研究。E-mail:jy01892231@126.com

    牛艳君(1982—),女,吉林公主岭人,硕士研究生,讲师,2004年毕业于东北师范大学获学士学位,2006年毕业于东北师范大学获硕士学位。主要从事基础数学研究。E-mail:992585016@qq.com

  • 中图分类号: TN929.1

Development status and trend of micro-satellite laser communication systems

Funds: Supported by National Natural Science Foundation of China (No. 11603024、No. 11973041)
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  • 摘要: 空间激光通信凭借其速率高、体积小、质量轻和功耗低的优势,成为卫星间高速通信不可或缺的有效手段,特别在微小卫星应用场合,更能体现激光通信的优势。文章详细介绍了微小卫星激光通信技术领域最新的研究进展。在此基础上,总结了需要突破的同轨终端轻小型化、异轨终端轻小型化、大气湍流影响抑制等关键技术,归纳了工程化应用、双工通信、单点对多点、国产化和批产能力5个发展趋势。
  • 图  1  OCSD-B/C激光终端和地面站

    Figure  1.  OCSD-B/C laser terminals and ground station

    图  2  下行通信误码率(卫星对地)

    Figure  2.  BER for the downlink (satellite to ground)

    图  3  CLICK激光终端布局及原理框图

    Figure  3.  CLICK laser terminal layout and schematic diagram

    图  4  VSOTA系统组成

    Figure  4.  system composition of VSOTA

    图  5  FITSAT-1俯视图和仰视图

    Figure  5.  top and bottom views of the FITSAT-1

    图  6  OPTEL-µ系统组成

    Figure  6.  System composition of the OPTEL-µ

    图  7  CONDOR系统组成

    Figure  7.  System composition of the CONDOR

    图  8  CONDOR激光终端原理框图

    Figure  8.  Schematic diagram of the CONDOR laser terminal

    图  9  终端T5布局

    Figure  9.  Layout of the T5 laser terminal

    图  10  典型同轨激光通信终端原理框图

    Figure  10.  Typical schematic diagram of a laser communication terminal in equivalent orbits

    图  11  典型异轨激光通信终端原理框图

    Figure  11.  Typical schematic diagram of a laser communication terminal in the different orbits

    图  12  折射式望远镜及两轴转动结构一体化设计思路

    Figure  12.  Refractive telescope and dual axis gimbal integrated design idea

    图  13  光学头布局及原理图

    Figure  13.  layout and schematic diagram of optical head

    表  1  OCSD-B/C系统主要技术参数

    Table  1.   Main technical parameters of the OCSD-B/C

    序号技术参数典型值
    1质量/Kg2.31
    2体积/mm310×10×15
    3通信距离/Km450
    4波长/nm1064 信号光下行1550 信标光上行
    5发射功率/W2
    6速率/Mbps50/100验证(200 Mbps设计能力)
    7指向方式依靠卫星姿态指向
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    表  2  地面站主要参数

    Table  2.   Main technical parameters of the ground station

    序号技术参数典型值
    1口径/mm40
    2粗跟踪光学视场/°2
    3精跟踪光学视场/°0.2
    4通信光学视场/°0.06
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    表  3  CLICK系统主要技术参数

    Table  3.   Main technical parameters of the CLICK

    序号技术参数典型值
    1质量/Kg<2.5
    2功耗/W15平均
    3通信距离/Km25-580(星间)
    4波长/nm1537/1563
    5发射功率/mW200
    6速率/Mbps>20(全双工)
    7指向方式/依靠卫星姿态指向,自身配有FPA
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    表  4  VSOTA主要技术指标

    Table  4.   Main technical parameters of the VSOTA

    序号技术参数典型值
    1质量/Kg<1
    2功耗/W<10
    3通信距离/Km<2000
    4波长/nm通道1:980
    通道2:1540
    5发射功率/mW通道1:<540
    通道2:<80
    6速率/Mbps0.1~10
    7指向方式依靠卫星姿态指向
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    表  5  OPTEL-µ主要技术指标

    Table  5.   Main technical parameters of the OPTEL-µ

    序号技术参数典型值
    1质量/Kg<8
    2功耗/W<45
    3通信距离/Km400-900
    4波长/nm1544/1565
    5速率/Gbps1.25×2(双波长)
    6指向方式自带CPA和FPA
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    表  6  CONDOR主要技术指标

    Table  6.   Main technical parameters of the CONDOR

    序号技术参数典型值
    1质量/Kg<18
    2功耗/W<60
    3通光口径mm80
    4发射功率W1
    5通信速率Gbps及距离/Km<5-10,5@7780 Km
    6波长/nm1545/1560
    7指向方式CPA,FPA,PAA
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    表  7  T5主要技术指标

    Table  7.   Main technical parameters of the T5

    序号技术参数典型值
    1质量/Kg5
    2通信距离/Km<3000
    3速率/Mbps100
    4指向方式旋转双棱镜±30°
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    表  8  激光通信终端光束指向机构

    Table  8.   Laser communication terminal beam pointing mechanism

    终端名称卫星指向卫星指向和FPACPACPA和FPAPAA
    VSOTA
    FITSAT
    CLICK
    OCSD
    OPTEL-µ
    CONDOR
    T5
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出版历程

微小卫星激光通信系统发展现状与趋势

doi: 10.37188/CO.2020-0033
    基金项目:  国家自然科学基金(No. 11603024、No. 11973041)
    作者简介:

    高世杰(1979—),男,吉林抚松人,博士研究生,副研究员,2003年毕业于哈尔滨理工大学获学士学位,2006年于中科院长春光机所获硕士学位,2015年于中国科学院大学获博士学位。主要从事光通信技术研究。E-mail:gaoshijie@ciomp.ac.cn

    吴佳彬(1988—),男,吉林舒兰人,博士研究生,助理研究员,2011年毕业于吉林大学获学士学位,2016年毕业于中国科学院大学获博士学位,主要从事光斑位置检测及快速偏转镜技术的研究。E-mail:wujb@ciomp.ac.cn

    刘永凯(1989—),男,黑龙江黑河人,硕士研究生,助理研究员,2012年毕业于哈尔滨工业大学获学士学位,2014年毕业于哈尔滨工业大学获硕士学位。主要从事高精度光束跟踪、指向与控制技术研究。E-mail:liuyongkai_ciomp@163.com

    马 爽(1987—),男,吉林长春人,博士研究生,助理研究员,2010年毕业于吉林大学获学士学位,2016年毕业于中国科学院大学获博士学位,主要从事大气激光通信调制解调技术研究。E-mail:jy01892231@126.com

    牛艳君(1982—),女,吉林公主岭人,硕士研究生,讲师,2004年毕业于东北师范大学获学士学位,2006年毕业于东北师范大学获硕士学位。主要从事基础数学研究。E-mail:992585016@qq.com

  • 中图分类号: TN929.1

摘要: 空间激光通信凭借其速率高、体积小、质量轻和功耗低的优势,成为卫星间高速通信不可或缺的有效手段,特别在微小卫星应用场合,更能体现激光通信的优势。文章详细介绍了微小卫星激光通信技术领域最新的研究进展。在此基础上,总结了需要突破的同轨终端轻小型化、异轨终端轻小型化、大气湍流影响抑制等关键技术,归纳了工程化应用、双工通信、单点对多点、国产化和批产能力5个发展趋势。

English Abstract

高世杰, 吴佳彬, 刘永凯, 马爽, 牛艳君. 微小卫星激光通信系统发展现状与趋势[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2020-0033
引用本文: 高世杰, 吴佳彬, 刘永凯, 马爽, 牛艳君. 微小卫星激光通信系统发展现状与趋势[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2020-0033
GAO Shi-Jie, WU Jia-Bin, LIU Yong-Kai, MA Shuang, NIU Yan-Jun. Development status and trend of micro-satellite laser communication systems[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2020-0033
Citation: GAO Shi-Jie, WU Jia-Bin, LIU Yong-Kai, MA Shuang, NIU Yan-Jun. Development status and trend of micro-satellite laser communication systems[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2020-0033
    • 质量在1000 Kg以下的人造卫星统称为“微小卫星”,根据其质量由大到小可以进一步划分为小卫星、微卫星、纳卫星、皮卫星和飞卫星等,该类卫星具有研制周期短、成本低的特点。由微小卫星构成的卫星网络,在遥感、测距、通信等领域均有其优势,在空间信息网络领域具有广阔的应用前景,可以提供更加低延迟,低成本、高速度、高可靠性的卫星服务,微小卫星被视为卫星互联网重要组成。

      得益于卫星技术和航天发射技术进步,低轨道微小卫星系统的大规模部署逐渐具备条件,继而对星间、星地互联互通数据传输提出了更高的要求,同时微小卫星对其载荷尺寸、质量、功耗和成本,即SWPaC(Size,Weight,Power and Cost)四个方面要求高。空间激光通信技术具有传输速率高、体积小、质量轻、功耗低、距离远、保密性好和抗干扰能力强等特点,其中速率高、体积小、质量轻和功耗低的特点特别适合在微小卫星平台应用,以适应高通量卫星星座对星间、星地数据传输需求[1-2]。因此微小卫星激光通信技术迎来其发展契机。

      微小卫星间通过激光通信方式互联互通构建成激光通信网络,该网络呈现“网状网”拓扑结构,根据通信链路类型不同,各节点激光通信系统用途、功能组成和技术参数也不同。

      文章第2部分主要围绕用途、功能组成和技术参数三个方面总结微小卫星激光通信系统最新发展现状,第3部分总结微小卫星激光通信系统关键技术,第4部分归纳微小卫星激光通信技术发展趋势。

    • 卫星星座各个卫星节点间激光链路是通过搭载在卫星上的激光通信系统间互联实现的,近年来,典型微小卫星激光通信系统包括美欧日等国外的OCSD、CLICK、VSOTA、FITSAT和国内的行云T5。此外商业化终端也正在形成,包括国外的OPTEL-µ、Mynaric CONDOR和SA photonics Nexus等。

    • OCSD卫星由美国NASA和航空航天公司联合研制,旨在演示甚小卫星通过激光通信提供高速率数据通信服务的能力。用于验证星地通信。

      OCSD-A星于2015年10月发射,试验卫星因姿态控制系统发生问题,导致无法对星上的激光通信载荷进行测试[3]

      OCSD-B/C星于2017年11月发射,试验验证了卫星对地下行50/100 Mbps通信能力[4] [5]。激光终端和地面站如图1所示。

      图  1  OCSD-B/C激光终端和地面站

      Figure 1.  OCSD-B/C laser terminals and ground station

      OCSD-B/C主要技术参数如表1所示。

      表 1  OCSD-B/C系统主要技术参数

      Table 1.  Main technical parameters of the OCSD-B/C

      序号技术参数典型值
      1质量/Kg2.31
      2体积/mm310×10×15
      3通信距离/Km450
      4波长/nm1064 信号光下行1550 信标光上行
      5发射功率/W2
      6速率/Mbps50/100验证(200 Mbps设计能力)
      7指向方式依靠卫星姿态指向

      OCSD地面站主要技术参数如表2所示。

      表 2  地面站主要参数

      Table 2.  Main technical parameters of the ground station

      序号技术参数典型值
      1口径/mm40
      2粗跟踪光学视场/°2
      3精跟踪光学视场/°0.2
      4通信光学视场/°0.06

      下行50 Mbps和100 Mbps通信结果如图2所示,可见在没有纠错条件下误码率达到1.0E-6。

      图  2  下行通信误码率(卫星对地)

      Figure 2.  BER for the downlink (satellite to ground)

    • 由美国麻省理工学院MIT(Massachusetts Institute of Technology)、佛罗里达大学UF(University of Florida)和美国航空航天局埃姆斯研究中心(NASA Ames Research Center)联合研制CLICK系统,用于验证星间、星地激光通信。

      CLICK-B/C系统包括光学和电子学两部分[6],如图3所示,终端上半部分为光学,下半部分电子学,外形尺寸为1.5 U(96 mm×96 mm×147 mm)。激光终端依靠卫星作粗指向机构CPA,(Coarse Pointing Assembly),利用星历数据解算卫星开环粗指向,精指向机构FPA(Fine Pointing Assembly)是快速反射镜。

      CLICK终端设计中采用了信标光(976 nm)和信号光(1537/1563 nm),粗跟信标光收发分立设计,信标光发散角全角为22.2 mrad(1/e2),发射功率为250 mW,信标光接收分为两部分,分别为粗跟位置解算和精跟位置解算两个支路,粗跟解算支路使用分立镜头,通光口径为16.1 mm,利用CMOS面阵探测器解算光斑位置,型号为Aptina MT9P031;信标光精跟位置解算支路用四象限探测器作为位置传感器[7],与信号光收发支路共用开普勒10倍缩束望远系统,通光口径为20 mm,利用微机电快反镜(MEMS FSM)作为FPA,空间光缩束后,经由976/15xxnm分色片和1537/1563 nm分色片共分为3个光学支路,分别是信标光精跟位置解算支路,信号光发射支路和通信支路。在信标光精跟支路和信号光通信支路装有相应谱段窄带滤光片。信号光发散角全角为120.2 μrad(1/e2),发射功率200 mW。通信支路利用200 μm空间靶面APD作为探测器。

      图  3  CLICK激光终端布局及原理框图

      Figure 3.  CLICK laser terminal layout and schematic diagram

      CLICK主要技术参数如表3所示。

      表 3  CLICK系统主要技术参数

      Table 3.  Main technical parameters of the CLICK

      序号技术参数典型值
      1质量/Kg<2.5
      2功耗/W15平均
      3通信距离/Km25-580(星间)
      4波长/nm1537/1563
      5发射功率/mW200
      6速率/Mbps>20(全双工)
      7指向方式/依靠卫星姿态指向,自身配有FPA
    • 由日本情报通信研究机构NICT(National Institute of Information and Communication Technology)和东北大学(Tohoku University)联合研制的超小型激光发射模块,用于验证星地激光通信。

      图4所示VSOTA主要分为VSOTA-COL和VSOTA-E两部分,其中VAOTA-COL是1540 nm和980 nm准直发射光机部分,采用分立光路准直发射方案,立方体用于装星标校。VSOTA-E为激光二极管驱动电气部分。依赖卫星做CPA,完成激光的指向功能[8]

      图  4  VSOTA系统组成

      Figure 4.  system composition of VSOTA

      主要技术指标参数如表4所示。

      表 4  VSOTA主要技术指标

      Table 4.  Main technical parameters of the VSOTA

      序号技术参数典型值
      1质量/Kg<1
      2功耗/W<10
      3通信距离/Km<2000
      4波长/nm通道1:980
      通道2:1540
      5发射功率/mW通道1:<540
      通道2:<80
      6速率/Mbps0.1~10
      7指向方式依靠卫星姿态指向
    • 日本在2012年10月,利用国际空间站ISS(International Space Station)发射了名为FITSAT-1[9]微纳卫星,用于试验星地可见光通信。

      图5所示,该卫星上表面(+Z)装载50颗绿LED阵列,下表面(-Z)装载32颗红LED阵列,发散角120°,波长为520 nm,调制频率1 KHz,占空比为15%情况下,绿灯功耗30 W,红灯功耗15 W,轨道高度400 Km,通信速率1 Kbps−10 Kbps。

      图  5  FITSAT-1俯视图和仰视图

      Figure 5.  top and bottom views of the FITSAT-1

    • 瑞士OPTEL公司OPTEL-µ星载终端,项目启动于2010年,目的是将LEO卫星上产生的数据以2.5 Gbps的速率传输到光学地面站,遵循轻小型、稳定型和多功能的原则,为各种低轨道小卫星平台服务。

      图6所示,OPTEL-µ终端由激光单元LU(Laser Unit)、电气单元EU(Electronics Unit)和光学头OH(Optical Head Unit)三部分组成,三者之间通过导线和光纤连接[10]

      图  6  OPTEL-µ系统组成

      Figure 6.  System composition of the OPTEL-µ

      OH内部集成CPA、光学系统和电气单元三部分,OH用于实现激光扩束发射、激光耦合接收和光束指向等功能;LU包括激光源、调制器和放大器,用于生成待发射光源;EU包括终端控制器、通信电子电源(TCU)、RF模块(RFM)和功率调节单元(PCU)完成指向机构控制、激光器控制等功能。

      OH具有光束指向功能保证链路的建立与维持,在保证指向角度范围和通光口径同时,通过小型化设计,OH达到参数如下:质量4.4 Kg,体积204 mm×238 mm×226 mm。

      OPTEL-µ终端主要技术参数如表5所示。

      表 5  OPTEL-µ主要技术指标

      Table 5.  Main technical parameters of the OPTEL-µ

      序号技术参数典型值
      1质量/Kg<8
      2功耗/W<45
      3通信距离/Km400-900
      4波长/nm1544/1565
      5速率/Gbps1.25×2(双波长)
      6指向方式自带CPA和FPA
    • 德国Mynaric公司的CONDOR星载终端如图7所示。CONDOR用于星间双向通信,主要包括CPA、光学系统和电子学三部分[11]

      图  7  CONDOR系统组成

      Figure 7.  System composition of the CONDOR

      系统原理框图如图8所示[12]。光路组件主要包括望远镜、FPA、提前瞄准机构PAA(Pointing Ahead Assembly)、窄带滤光片(BP)、分光片(BS)、跟踪探测器(CTS&FTS)、发射准直和接收单元。

      图  8  CONDOR激光终端原理框图

      Figure 8.  Schematic diagram of the CONDOR laser terminal

      主要技术参数如表6所示。

      表 6  CONDOR主要技术指标

      Table 6.  Main technical parameters of the CONDOR

      序号技术参数典型值
      1质量/Kg<18
      2功耗/W<60
      3通光口径mm80
      4发射功率W1
      5通信速率Gbps及距离/Km<5-10,5@7780 Km
      6波长/nm1545/1560
      7指向方式CPA,FPA,PAA
    • 2020年5月12日,LaserFleet公司为“行云二号”01星(武汉号)和“行云二号”02星研制的物联网星间激光通信载荷以“一箭双星”方式发射成功。这是我国首次尝试低轨卫星星间激光链路技术验证。

      LaserFleet公司首款星间激光通信终端T5是搭载在微小卫星上的紧凑型激光通信终端。如图9所示。

      图  9  终端T5布局

      Figure 9.  Layout of the T5 laser terminal

      T5设计指标如表7所示。

      表 7  T5主要技术指标

      Table 7.  Main technical parameters of the T5

      序号技术参数典型值
      1质量/Kg5
      2通信距离/Km<3000
      3速率/Mbps100
      4指向方式旋转双棱镜±30°
    • 文中提及的VSOTA、FITSAT、CLICK、OCSD、OPTEL-µ、CONDOR和T5几型激光通信终端由于卫星平台能力、业务数据带宽、组网方式等区别,相应的系统组成不同,主要区别体现在光束指向机构方案不同。通过表8对比可以看到为满足发射端光束指向要求,第一种方式是依赖微小卫星做CPA,这时激光终端自身带有FPA(Fine Pointing Assembly)或者不带FPA[13];第二种方式是激光终端自身配有CPA和FPA。另外,对于通信距离远的场合(CONDOR终端),由于通信双方相对运动会导致发射对准难度增加,这种情况下须配有PAA。

      表 8  激光通信终端光束指向机构

      Table 8.  Laser communication terminal beam pointing mechanism

      终端名称卫星指向卫星指向和FPACPACPA和FPAPAA
      VSOTA
      FITSAT
      CLICK
      OCSD
      OPTEL-µ
      CONDOR
      T5
    • 星间同轨通信场合,根据轨道高度和轨道面布置卫星数量不同,通信距离约为3000 km−6000 km,依据卫星姿态不同光束粗指向范围小于5°,为完成星间互通互联,一颗卫星上安装终端数量2−3颗,终端质量一般小于8 Kg。典型的同轨星间激光通信终端原理框图如图10所示,发射接收采用光谱分光方案。

      图  10  典型同轨激光通信终端原理框图

      Figure 10.  Typical schematic diagram of a laser communication terminal in equivalent orbits

      为了达到轻小目的,进一步缩小系统规模,除了从高集成度电子学系统角度考虑外,还需要进一步优化跟瞄机构和减少光学支路的数量,主要包括两方面:

      ● CPA和FPA一体化技术

      同轨终端CPA多数情况为摆镜,用以修正初始瞄准指向偏差和光束的慢速漂移,由于摆镜位于终端望远镜前端,镜面尺寸大。用于高分辨率的精跟探测器器(FT sensor)为FPA提供位置反馈,实现高精度快速跟瞄。

      从优化CPA角度出发,在满足偏转角度前提下,提高系统谐振频率,从而获得更高的系统闭环带宽,即具有镜面尺寸大,运动范围大、谐振频率高、分辨率高的特点,如何降低系统功耗、质量提高分辨率是该类结构的关键点。

      从优化FPA角度出发,在满足谐振频率和高分辨率前提下,提高偏转角度,终端即可获得更大的光束指向范围。该类机构的要点是如何保证大偏摆角度的同时获得高分辨率,同时保证一定的镜面尺寸,满足光学缩束和装调要求。

      ● 位置探测支路和通信支路一体化技术

      对于通信速率要求不高的应用场合,将光斑位置探测支路和通信支路合二为一是实现小型化的有效途径之一,减少了光学支路和分光组件。但是该类系统对于探测器响应和电子学处理系统提出了更高的要求。

    • 星间异轨相比于同轨通信场合复杂,通信对象可以是同星座的异轨道卫星,也可以是不同星座的卫星,轨道高度从低轨道到高轨道,通信距离范围大,约为3000 km−36000 km,而终端质量受微小卫星平台约束,往往小于20 Kg。典型的异轨星间激光通信终端原理框图如图11所示。

      图  11  典型异轨激光通信终端原理框图

      Figure 11.  Typical schematic diagram of a laser communication terminal in the different orbits

      异轨终端CPA是角度摆动范围大的机构,如U型架、潜望式、大偏摆镜等,由于通信距离远,望远镜通光口径偏大,约80-200 mm,通信双端距离远,便于搜索捕获,系统中还存在大发散角的信标光(Becon laser)发射和用于粗跟的信标光位置探测单元(CT Sensor)。

      为了进一步降低系统规模,不仅考虑高集成度电子学系统外,还需要缩小光机部分的尺寸和重量,主要包括三方面:

      ● 粗跟精跟探测器一体化技术

      星间异轨终端有CPA和FPA,图11系统中,CT sensor为CPA提供位置反馈,FT sensor为FPA提供位置反馈,粗精跟探测器一体化设计,无疑是精简了位置探测环节,但是要点在于如何保证捕获阶段大视场和精跟阶段高分辨需求,如何实现一个位置探测器对应粗精跟执行结构的运动解耦,如何匹配粗精跟位置反馈不同频率要求等,以上因素均为其研究要点。

      ● CPA和望远镜一体化设计技术

      CPA和望远镜在异轨终端结构尺寸中占据很大比重,保证有效通光口径,实现二者一体化设计,是实现轻小型的关键因素之一。以折射式望远镜和二轴运动机构为例,图12给出了2种一体化设计思路[14]。该种思路的关键点是光机耦合设计的同时,还需要保证光学系统的性能及装调可行性。

      图  12  折射式望远镜及两轴转动结构一体化设计思路

      Figure 12.  Refractive telescope and dual axis gimbal integrated design idea

      ● 无信标光捕获技术

      无信标光捕获技术,即利用信号光实现不确定区域的发射扫描和利用信号光位置探测支路实现不确定区域的捕获,一方面,利用CPA和FPA在扫描角度和扫描频率两方面相互补充,实现高效的区域扫描;另外一方面是实现发射束散角和接收视场角的实时可调,从而确保双向捕获的效率,而发射束散角往往是几十μrad量级,如何保证发散角调整过程中,光轴晃动偏差实时修正是无信标光捕获技术的实现要点。

    • 星地激光通信链路,大气对激光传输会带来衰减、闪烁和漂移等影响[15],形成激光光束质量裂化、接收端光功率起伏范围大、接收光功率衰减增加等现象,导致光学接收支路调光困难[16],退化光斑位置提取处理复杂[17-18],跟瞄精度下降,通信质量变差,通信距离减少等结果。当前,大气影响因素是星地激光通信链路规划、激光通信终端设计过程中一个不能准确量化的因素[19]。通过加大接收光学天线口径、引入自适应光学技术[20-21]、高阶调制解调方法、编码纠错和光纤章动[22]等技术手段一定程度抑制大气影响。但不同地域、不同天候,环境变化带来的大气影响也实时变化,因此激光通信大气影响抑制技术属于理论和实践不断迭代、不断深入研究的一项技术。

    • 当前国内外空间信息网络发展迅猛,据悉,中国航天科技集团“鸿雁”星座(300颗)、中国航天科工集团“虹云”星座(156颗)和“行云”星座(80颗)、中国电子科技集团“天地一体化”(80颗)等;国外“Kuiper”星座(3236颗),“Telesat”星座(298颗),“Starlink”网络(1.2万颗)等[23][24],以上星座大都由低轨道微小卫星组成,大都将激光通信列为其骨干传输链路方式之一。其中“Starlink”星座,截止2020年4月22日,在轨卫星已经达到422颗,计划从2020下半年开始发射装备有星间激光通信链路的卫星。

      另外从军事应用角度看,欧美等国家也在加快布置微小卫星互联网的节奏,据美国国防部高级研究计划局(DARPA)官网2020年5月11日报道,DARPA正在与美国太空军和太空发展局合作,计划于2020年底和2021年将“黑杰克”项目的小卫星发射到低地球轨道,验证卫星星座自治和空间网状网技术,该星座星间互联采用了激光通信技术,激光终端由SA光子公司提供。

      综上可见太空互联网大发展,从军民两大应用领域将加快微小卫星激光通信技术的发展步伐,缩短从演示验证向工程应用过渡时间。

    • 卫星业务数据最终要求是数据回传至地面,建立具有中继数传能力微小卫星星座,实现数据在星间中继传输,是实现卫星对地下行传输行之有效的手段。因此具有双向数传能力的星载激光通信终端更加适合于微小卫星应用场合,而收发速率匹配是实现高效率中继的保障,因此要求激光终端具有全双工高速率通信能力。

      德国Mynaric公司的CONDOR终端目的即实现星间全双工5-10 Gbps通信。

    • 随着激光通信技术在天基通信网络(GEO、MEO、LEO)中逐步应用,激光通信组网是未来发展趋势。然而,受激光发散角小、动态接入、空间环境影响等因素,使得当前激光通信都是点对点互联,实现卫星组网,单个卫星上需要安装多台激光通信终端。受限于微小卫星平台资源限制,解决上述问题一方面优化终端质量功耗,达到要求更加严格的SWaP能力;研究动态路由解决接入问题;研究激光终端单点对多点通信能力。瞄准星间组网一点对多点的目标,美国加利福尼亚大学研究的ISOC(inter-spacecraft omnidirectional optical communicator)[25]提供了一种思路,系统每个单元利用MEMS快速反射镜摆扫覆盖±12°光学空间锥角,将多个发射接收单元拼接为阵列球型,空间角度实现全天域覆盖(除卫星安装面遮挡外)。ISOC系统光学头布局和实现原理如图13所示,系统设计指标如下,通信距离200 Km,通信速率1 Gbps,波长850 nm,发射功率1 W。

      图  13  光学头布局及原理图

      Figure 13.  layout and schematic diagram of optical head

    • 微小卫星激光通信终端主要组成包括瞄准、跟踪、光电位置探测和调制解调等,分解为单元组件包括光学元件、电机、测角组件、快反、光斑位置解算(CMOS焦平面探测器、QAPD等)、通信组件(耐辐照光纤、光纤放大器、直接探测器组件、相干探测组件等)、信号处理组件(FPGA、DSP等),当前我国相关研究机构正在开展相关组件的国产化研究,整机国产化率要求也将从组件国产化发展为器件国产化。

    • 未来对微小卫星激光通信终端需求量巨大,发射组网规划要求其生产周期短。综上要求微小卫星激光通信终端研制方应具有批量生产能力的同时降低终端研制成本,保证SWPaC,最终形成货架产品COTS(Commercial Off The Shelf)。

    • 空间激光通信凭借其带宽、质量、功耗等优势,有望成为未来空间高速通信的主要方式,在卫星互联网的应用需求中扮演重要角色。美国、欧洲和日本均已深入研究空间激光通信关键技术,且完成了多项在轨试验,正走向商业化运行阶段,其微小卫星激光通信领域也发展迅猛,多项验证均已开展。我国虽然起步晚,但是近年发展快速,完成LEO-地、GEO-地、MEO-地、MEO-MEO、GEO-GEO、空空、空地等多项试验验证。

      本文以微小卫星激光通信系统为切入点,整理了其部分发展现状,归纳了发展趋势,有助于该领域研究人员及时了解发达国家在微小卫星激光通信领域发展现状和发展规划,有利于提前做好技术准备,使我国空间激光通信技术稳步推进,让该技术助力微小卫星互联网快速发展。

参考文献 (25)

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