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
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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)

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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

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图 1 OCSD-B/C激光终端和地面站

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

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图 2 下行通信误码率（卫星对地）

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

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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

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图 4 VSOTA系统组成

Figure 4. System composition of VSOTA

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图 5 FITSAT-1俯视图和仰视图

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

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图 6 OPTEL-µ系统组成

Figure 6. OPTEL-µ system composition

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图 7 CONDOR系统组成

Figure 7. CONDOR system composition

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图 8 CONDOR激光终端原理框图

Figure 8. Schematic diagram of the CONDOR laser terminal

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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

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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

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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

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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

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图 13 光学头布局及原理图

Figure 13. Layout of optical head and its principle diagram

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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

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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/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

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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

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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

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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

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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

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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/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°

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

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