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; 杨会生

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

高世杰^1, ,,
吴佳彬^1,,
刘永凯^1,,
马爽^1,,
牛艳君^2,,
杨会生¹

1.
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033
2.
长春工程学院，吉林长春 130012

基金项目: 国家自然科学基金资助项目（No. 11603024, No. 11973041）；国家重点研发计划资助项目（No. 2016YFB0500100）；民用航天预研项目（No. D04010）

详细信息

作者简介:
高世杰（1979—），男，吉林抚松人，副研究员，博士，2003年于哈尔滨理工大学获得学士学位，2006年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得硕士学位，2015年于中国科学院大学获得博士学位，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，助理研究员，博士，2011年于吉林大学获得学士学位，2016年于中国科学院大学获得博士学位，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，助理研究员，硕士，2012年、2014年于哈尔滨工业大学分别获得学士、硕士学位，主要从事高精度光束跟踪、指向与控制技术的研究。E-mail：liuyongkai_ciomp@163.com

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

牛艳君（1982—），女，吉林公主岭人，硕士，讲师，2004年、2006年于东北师范大学分别获得学士、硕士学位，主要从事基础数学相关研究。E-mail：992585016@qq.com

中图分类号: TN929.1
计量
- 文章访问数: 5831
- HTML全文浏览量: 2273
- PDF下载量: 895
- 被引次数: 0
出版历程
- 收稿日期: 2020-03-02
- 修回日期: 2020-04-24
- 网络出版日期: 2020-10-15
- 刊出日期: 2020-12-01

Development status and trend of micro-satellite laser communication systems

1.
Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China
2.
Changchun Institute of Technology, Changchun 130012, China

Funds: Supported by National Natural Science Foundation of China (No. 11603024, No. 11973041); National Key R & D Program of China (No. 2016YFB0500100); Civil Aerospace Pre-research Project (No. D04010)

More Information

Corresponding author: gaoshijie@ciomp.ac.cn

摘要

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个方面的发展趋势。
- 空间激光通信 /
- 自由空间光通信 /
- 微小卫星 /
- 天基互联网 /
- 星间通信
Abstract: With its high speed, small size, light-weight and low power consumption, space laser communication has become an indispensable and effective means of high-speed communication between satellites, especially in micro-satellite applications, which can benefit more strongly from the advantages of laser communication. This paper provides a detailed introduction of the latest research progress in the field of micro-satellite laser communication technology. On this basis, key techniques such as light miniaturization of identical orbital terminals, light miniaturization of different orbital terminals and turbulence mitigation technologies are summarized, and the development trends of the technology’s applications, duplex communication, single-point to multi-point, localization and batch production capacity are concluded.
- space laser communication /
- free-space optical communication /
- micro-satellite /
- space-based internet /
- inter-satellite communication

HTML全文

图 1 OCSD-B/C激光终端和地面站

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

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 2 下行通信误码率（卫星对地）

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

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 3 （a）CLICK激光终端布局及（b）原理框图

Figure 3. (a)CLICK laser terminal layout and (b) its principle block diagram

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 4 VSOTA系统组成

Figure 4. System composition of VSOTA

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 5 FITSAT-1俯视图和仰视图

Figure 5. Top view and bottom view of the FITSAT-1

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 6 OPTEL-µ系统组成

Figure 6. OPTEL-µ system composition

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 7 CONDOR系统组成

Figure 7. CONDOR system composition

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 8 CONDOR激光终端原理框图

Figure 8. Schematic diagram of the CONDOR laser terminal

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 9 LaserFleet公司的星间激光通信终端T5布局

Figure 9. Layout of T5 laser terminal of inter-satellite communication made in LaserFleed company

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 10 典型同轨激光通信终端原理框图

Figure 10. Schematic diagram of typical co-orbit laser communication terminal

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 11 典型异轨激光通信终端原理框图

Figure 11. Schematic diagram of typical hetero-orbit laser communication terminal

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 12 折射式望远镜及两轴转动结构一体化设计

Figure 12. Integrated design of refractive telescope and dual axis gimbal

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 13 光学头布局及原理图

Figure 13. Layout of optical head and its principle diagram

下载: 全尺寸图片幻灯片

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/kg	2.31
2	体积/mm³	10×10×15
3	通信距离/km	450
4	波长/nm	1064 信号光下行1550 信标光上行
5	发射功率/W	2
6	速率/Mbps	50/100验证(200 Mbps设计能力)
7	指向方式	依靠卫星姿态指向

下载: 导出CSV

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/mm	40
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

下载: 导出CSV

表 3 CLICK系统的主要技术参数

Table 3. Main technical parameters of the CLICK system

序号	技术参数	典型值
1	质量/kg	<2.5
2	功耗/W	15平均
3	通信距离/km	25~580（星间）
4	波长/nm	1537/1563
5	发射功率/mW	200
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

下载: 导出CSV

表 4 VSOTA的主要技术指标

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	<2 000
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/Mbps	0.1~10
7	指向方式	依靠卫星姿态指向

下载: 导出CSV

表 5 OPTEL-µ的主要技术指标

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/km	400~900
4	波长/nm	1544/1565
5	速率/Gbps	1.25×2（双波长）
6	指向方式	自带CPA和FPA

下载: 导出CSV

表 6 CONDOR的主要技术指标

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/mm	80
4	发射功率/W	1
5	通信速率/Gbps及距离/km	<5~10, 5@7780 km
6	波长/nm	1545/1560
7	指向方式	CPA, FPA, PAA

下载: 导出CSV

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/kg	5
2	通信距离/km	<3000
3	速率/Mbps	100
4	指向方式	旋转双棱镜±30°

下载: 导出CSV

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FPA	CPA	CPA和FPA	PAA
VSOTA	√
FITSAT	√
CLICK	√	√
OCSD	√	√
OPTEL-µ			√	√
CONDOR			√	√	√
T5			√

下载: 导出CSV

参考文献(25)

[1]	CAPLAN D O, CARNEY J J, LAFON R E, et al. Design of a 40-watt 1.55 μm uplink transmitter for lunar laser communications[J]. Proceedings of SPIE, 2012, 8246: 82460M. doi: 10.1117/12.915982
[2]	KOYAMA Y, TOYOSHIMA M, TAKAYAMA Y, et al.. SOTA: small optical transponder for micro-satellite[C]. Proceedings of 2011 International Conference on Space Optical Systems and Applications, IEEE, 2011: 97-101.
[3]	JANSON S, WELLE R, ROSE T, et al.. The NASA optical communications and sensor demonstration program: initial flight results[C]. Proceedings of the 29th Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites, 2015.
[4]	ROSE T S, ROWEN D W, LALUMONDIERE S, et al. Optical communications downlink from a 1.5U Cubesat: OCSD program[J]. Proceedings of SPIE, 2018, 11180: 11180J.
[5]	ROWEN D, JANSON S, COFFMAN C, et al.. The NASA optical communications and sensor demonstration program: proximity operations[C]. Proceedings of the 32th Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites, 2018.
[6]	YENCHESKY L, CIERNY O, GRENFELL P, et al.. Optomechanical design and analysis for nanosatellite laser communications[C]. Proceedings of the 33rd Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites, 2019.
[7]	SERRA P, CIERNY O, DIEZ R, et al.. Optical communications crosslink payload prototype development for the Cubesat Laser Infrared CrosslinK (CLICK) mission[C]. Proceedings of the 33rd Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites, 2019.
[8]	KUWAHARA T, YOSHIDA K, TOMIOKA Y, et al.. Laser data downlink system of micro-satellite RISESAT[C]. Proceedings of the 27th Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites, 2013.
[9]	TANAKA T, KAWAMURA Y, TANAKA T. Development and operations of nano-satellite FITSAT-1 (NIWAKA)[J]. Acta Astronautica, 2015, 107: 112-129. doi: 10.1016/j.actaastro.2014.10.023
[10]	BAISTER G, GREGER R, BACHER M, et al. OPTEL-μ LEO to ground laser communications terminal: flight design and status of the EQM development project[J]. Proceedings of SPIE, 2016, 10562: 105622U.
[11]	MÜNCHEBERG S, GAL C, HORWATH J, et al. Development status and breadboard results of a laser communication terminal for large LEO constellations[J]. Proceedings of SPIE, 2018, 11180: 18034.
[12]	CARRIZO C, KNAPEK M, HORWATH J, et al. Optical inter-satellite link terminals for next generation satellite constellations[J]. Proceedings of SPIE, 2020, 11272: 1127203.
[13]	吕佳飞. 微小型卫星激光通信终端跟瞄机构的研究[D]. 长春: 长春理工大学, 2017. LV J F.Research for the spaceborne laser communication terminal tracking-pointing turntable[D]. Changchun: Changchun University of Science and Technology, 2017. (in Chinese).
[14]	TALMOR A G, HARDING JR H, CHEN C C. Two-axis gimbal for air-to-air and air-to-ground laser communications[J]. Proceedings of SPIE, 2016, 9739: 97390G. doi: 10.1117/12.2218097
[15]	李波, 王挺峰, 王弟男, 等. 激光大气传输湍流扰动仿真技术[J]. 中国光学,2012,5(3):289-295. LI B, WANG T F, WANG D N, et al. Simulation of laser beam propagation through turbulence[J]. Chinese Optics, 2012, 5(3): 289-295. (in Chinese)
[16]	赵海丽, 姜会林, 王晓曼, 等. 空间光通信中高帧频相机动态调光技术研究[J]. 液晶与显示,2012,27(2):267-270. doi: 10.3788/YJYXS20122702.0267 ZHAO H L, JIANG H L, WANG X M, et al. Dynamic light-adjusting technology of high frame frequency CCD camera in space optical communication system[J]. Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays, 2012, 27(2): 267-270. (in Chinese) doi: 10.3788/YJYXS20122702.0267
[17]	王玉坤, 贾娜, 张锐. 激光通信成像光斑处理方法研究[J]. 液晶与显示,2017,32(9):736-740. doi: 10.3788/YJYXS20173209.0736 WANG Y K, JIA N, ZHANG R. Laser communication spots imaging process method[J]. Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays, 2017, 32(9): 736-740. (in Chinese) doi: 10.3788/YJYXS20173209.0736
[18]	高世杰, 盛磊, 吴志勇, 等. 大气激光通信光斑图像的快速复原与实时检测[J]. 光学精密工程,2015,23(8):2393-2399. doi: 10.3788/OPE.20152308.2393 GAO SH J, SHENG L, WU ZH Y, et al. Rapid restoration and real-time detection on spot image of atmospheric laser communication[J]. Optics and Precision Engineering, 2015, 23(8): 2393-2399. (in Chinese) doi: 10.3788/OPE.20152308.2393
[19]	马晶, 高庞, 谭立英, 等. 星地光通信中PAT链路的衰落冗余[J]. 光学精密工程,2007,15(3):308-314. MA J, GAO P, TAN L Y, et al. Fade budgets of PAT link in satellite-to-ground optical communications[J]. Optics and Precision Engineering, 2007, 15(3): 308-314. (in Chinese)
[20]	林旭东, 薛陈, 刘欣悦, 等. 自适应光学波前校正器技术发展现状[J]. 中国光学,2012,5(4):337-351. LIN X D, XUE CH, LIU X Y, et al. Current status and research development of wavefront correctors for adaptive optics[J]. Chinese Optics, 2012, 5(4): 337-351. (in Chinese)
[21]	刘超, 陈善球, 廖周, 等. 自适应光学技术在通信波段对大气湍流的校正[J]. 光学精密工程,2014,22(10):2605-2610. doi: 10.3788/OPE.20142210.2605 LIU CH, CHEN SH Q, LIAO ZH, et al. Correction of atmospheric turbulence by adaptive optics in waveband of free-space coherent laser communication[J]. Optics and Precision Engineering, 2014, 22(10): 2605-2610. (in Chinese) doi: 10.3788/OPE.20142210.2605
[22]	吴天琦, 王睿扬, 王超, 等. 单模光纤章动跟踪耦合系统设计[J]. 液晶与显示,2020,35(1):62-69. doi: 10.3788/YJYXS20203501.0062 WU T Q, WANG R Y, WANG CH, et al. Design of single mode fiber optic nutation tracking coupling system[J]. Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays, 2020, 35(1): 62-69. (in Chinese) doi: 10.3788/YJYXS20203501.0062
[23]	付强, 姜会林, 王晓曼, 等. 空间激光通信研究现状及发展趋势[J]. 中国光学,2012,5(2):116-125. FU Q, JIANG H L, WANG X M, et al. Research status and development trend of space laser communication[J]. Chinese Optics, 2012, 5(2): 116-125. (in Chinese)
[24]	姜会林, 安岩, 张雅琳, 等. 空间激光通信现状、发展趋势及关键技术分析[J]. 飞行器测控学报,2015,34(3):207-217. JIANG H L, AN Y, ZHANG Y L, et al. Analysis of the status quo, development trend and key technologies of space laser communication[J]. Journal of Spacecraft TT &C Technology, 2015, 34(3): 207-217. (in Chinese)
[25]	VELAZCO J E, WERNICKE D, GRIFFIN J, et al.. Inter-spacecraft omnidirectional optical communicator for swarms[C]. Proceedings of the 33th Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites, 2019.