卫星光通信

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1、卫星光通信系统及其发展摘要：卫星光通信光通信由于其保密性能高，传输容量大，已经被应用到空空、空 地等需要海量数据传输的场景中。国外光通信发展已经达到了实用阶段。国内由于器件研发 尚不成熟，目前空通信也是处在实验阶段。本文分析了国际上近几年的空间光通信发展动态。关键词：卫星光通信1引言光通信是人们经过多年探索并于近几年取得突破性进展的新技术。而卫星光通信更是一 种崭新的空间通信手段。利用人造地球卫星作为中继站转发激光信号，可以实现在多个航天 器之间以及航天器与地球站之间的通信。其传输速率高、可利用频带宽、安全性（可靠性） 高、保密性强、终端设备体积小、质量轻、功耗低等优点吸引着各国专家锲而不舍地

2、探索。 近几年，美国、欧空局各成员国、日本等国都对光通信技术极其重视，对卫星光通信系统所 涉及的各项关键技术展开了全面深入的研究，目前在光通信领域已取得突破性进展，成功地 实现了卫星地面、卫星卫星之间的光通信试验，预计最近几年就将进入实用化阶段。我国已经开展了卫星光通信技术的研究，进行了卫星光通信系统的计算机模拟仿真分析 以及初步的实验室模拟实验研究，目前正在进行卫星光通信关键技术的研究。随着卫星光通 信技术的不断成熟，我国也将这种通信技术应用于未来各种卫星组网，以便实现它们相互配 合协同工作。随着卫星激光通信关键技术的突破和激光所具有的优势逐步体现，业界的专家达成一致 意见：面对日益增长的高

3、数据率和大通信容量的需求，必须用光通信来实现卫星通信。未来 世界的通信体系将是一个天上卫星光网和地面光纤光网连接一起的空地激光通信体系，如图 1 所示。-:光通僖飪鉛Ail空地液光迪信体聚图1空地激光通信体系1 国际卫星光通信发展现状1.1 美国卫星光通信的发展美国卫星光通信开展得较早，20世纪 70年代即开始相关研究。但是由于美国初期的卫 星光通信研究往往由政府或军方主导，保密性较高。随着欧洲和日本卫星光通信的成功，越 来越多的商业公司开始进入卫星光通信市场，美国卫星光通信的研究也变得开放和兴盛起 来。美国进行卫星光通信的领导机构是美国宇航局(NASA )和美国空军军方，主要的科研单 位是加

4、州理工大学的喷气动力实验室和麻省理工学院的林肯实验室。许多大公司，如 Thermo Trex公司、Ball Aerospace公司等也进行了很多研究工作。以下介绍几个比较有代表性的研 究成果：(1) Thermo Trex 公司的研究成果Thermo Trex公司为美国军方进行光通信研究。他们建立空地激光链路的依据为：鉴于 对流层大气的情况较为复杂，而平流层大气的情况较简单，可以利用在平流层中的飞机与卫 星建立激光链路，将卫星下传的数据进行处理压缩后，再利用微波或激光发送到地面站，从 而减小对流层大气对激光链路的影响。Thermo Trex公司研究成果中最特殊的一点就是首次 将原子滤波器(FA

5、DOF)引入到跟瞄(APT)系统中，FADOF的带宽可以窄到0.01 nm，对本底 光噪声有很强的抑制作用。实验表明，可以在大视场角(FOV)下取得较高的信噪比，从而实 现对目标的快速捕捉和锁定。(2) 激光通信演示系统激光通信演示系统(OCD)由NASA支持的喷气动力实验室研制，其研制目的是实现一 个可用于星地通信工程模型的激光通信实验设备，是一个基于实验室的演示系统。 OCD 的 设计集中了当时很多先进的技术，比如光束获取、高带宽的跟踪、精确光束瞄准和前馈补偿 等技术。设备结构上包括：一个直径为10 cm的光学天线、一个用于空间获取的电荷耦合检 测器(CCD)阵列、高带宽跟踪装置以及光纤耦

6、合发生装置。设计通信数据率为250 Mb/s1 Gb/s(近地实验时)，采用844 nm的通信波长和开关键控(OOK)方式进行快速数据调制。虽然 OCD 系统并没有进入实用化，但是其设计思路为后来很多喷气动力实验室的研究提供了借 鉴。(3)国际轨道空间站光通信研究喷气动力实验室利用OCD系统成熟的研究技术，为国际轨道空间站(ISS)工程研究和 技术发展计划(ISSERT)研制了光通信演示和高速率链路设备(OCDHRLF儿5。该系统的目的 是在近地轨道(LEO)距离上实现ISS与地面光学望远镜的激光通信链路。其设计通信数据率 为2.5 Gb/s。空间站和地面的光学终端直径分别为10 cm和100

7、 cm。其中ISS上使用的通信 波长是可以与地面光纤通信技术接轨的1 550 nm波长(不同于OCD),信标光使用980 nm波 长。(4) STRV-2 实验20世纪80年代末90年代初，美国弹道导弹防御组织(BMDO)开始支持空间技术研究 卫星2(STRV-2)研究。该研究目的在于演示LEO卫星TSX-5与地面站间的上行和下行激光 通信，验证卫星与地面间的每秒吉比特速率通信是否可行。 STRV-2 的设计采用直接调制半 导体激光发射和雪崩光电二极管接收。跟瞄装置采用二极管激光(852 nm波长)作为信标光， CCD成像器接收，铯原子线滤波器做本底光抑制。整个通信终端包括电子设备重14.5

8、kg， 设计通信链路长度最大为 2 000 km。STRV-2 实验系统采用了极化复用通信技术来提高通信速率，其设计通信速率为卫星到 地面500 Mb/s X2和地面到卫星155 Mb/s X2。在天线设计上，发射端和接收端相互分离， TSX-5卫星上终端天线直径为1.6 cm(发射)和13.7 cm(接收),地面站上天线直径为30.5 cm(发 射)和40.6 cm(接收)。同时为了减轻大气闪烁的作用，STRV2系统采用了多个发射孔径，其 中星上终端4路，地面终端12路。TSX-5 卫星于 2000 年 6 月 7 日发射升空，但是由于其 ATP 系统采用的是开环获取， 即根据已有的星历表等

9、轨道参数来进行跟瞄，而系统设计所依据的星历表与实际情况有误， 所以卫星上光通信终端无法捕获到地面光通信终端发射的信号，使得STRV2星地激光链路 实验宣告失败。(5) 同步轨道轻量技术实验2001年5月18日，美国军事侦察局(NRO)的同步轨道轻量技术实验(GEOLITE)卫星成 功发射进入轨道。 GEOLITE 上携带了一个实验用的激光通信端机和一个工程用的超高频 (UHF)通信设备，以进行激光通信试验和宽带通信试验。麻省理工学院的林肯实验室负责激 光通信端机的设计。 NRO 对外宣布本次卫星实验非常成功，实现了激光通信链路，但未见 进一步的详细报道。(6) 火星激光通信演示系统NASA还进

10、行了火星激光通信演示系统(MLCD)研究。该系统由NASA、加州理工大学 的喷气动力实验室和麻省理工学院的林肯实验室联合研制，目标是建立火星与地球行星距离 的激光通信。设计的通信数据率为1100 Mb/s，这是以前微波射频深空通信所无法比拟的。 星上终端采用直径30.5 cm的天线，CCD成像接收，发射采用由半导体激光振荡器和掺铒光 纤放大器(EDFA)组合而成的主振荡器功率放大器(MOPA)结构提高发射功率，采用脉冲相位 调制(PPM)。地面终端采用1 m光学天线，4路多光束发射(另一种方案是6路直径30 cm光 学天线多光束发射)。整个链路的通信波长采用1 060 nm可结合光纤技术的激光

11、波长。1.2 日本卫星光通信发展现状日本开始进行星地光通信研究的时间较美国要晚一些，但是他们的研究发展迅速，并 于 1995 年与美国喷气动力实验室一起实现了世界上首次星地光通信链路，从而证明了星地 光通信是可行的。日本卫星光通信的主要研究机构是邮电省的通信研究实验室(CRL)和日本 宇宙开发事业团(NASDA)。日本电气公司(NEC)和东芝公司(Toshiba)也担负了一部分通信设 备的研究。CRL是日本进行星地光通信研究的领导机构，他们制订了详细的计划，集中了很多人力、物力进行研究，研究分 3 步实行：第一步采用0.8 p m波长的中等速率的通信系统(300 Mb/s X4)和 1.5 p

12、 m的高速率通 信系统(1.2 Gb/s X2)，已于2002年完成。第二步将中等速率的通信系统进入实用化。同时研究0.8 p m波长的中等速率的通信 系统(1.2 Gb/s X4)和1.5 p m波攻的高速率通信系统(10 Gb/s X2)，计划2006年内完成。 第三步将高速率通信系统实用化。目前日本星地光通信方面有激光通信实验(LCE)和激光通信实验装置(LCDE)两个比较 有代表性的研究。(1) 激光通信实验日本的工程测试卫星6号(ETS-VI)上所搭载的LCE装置实现了世界上首次的星地激光 链路。工程测试卫星6号于1994年8月发射升空，由于推进火箭故障，没有进入预定的地 球同步轨道

13、(GEO)，缩短了生命周期。但通过CRL和美国喷气动力实验室的合作，采用了 新的硬件和软件方法基本完成了全部测试。成果如下：成功地实现了捕获和跟踪。在1994年12月和1996年7月期间实现了多次激光链路通 信。全双工通信。ETS-VI和地面站之间采用强度调制、直接探测技术实现了上行(510 nm波 长氩离子激光)和下行(830 nm波长,13.5 mW砷化铝镓激光)链路。传输数据率为1.024 Mb/s， 通信距离大于40 000 km。卫星上收发天线直径7.5 cm，地面接收天线直径1.5 m，发射天线 直径 20 cm。测量了上行和下行链路光束的传播特性。 对光学器件在太空环境中的性能进

14、行了测试。实验中还发现，由于卫星上跟瞄采用机械 装置，其平台的振动对跟瞄质量有较大影响，采用闭环方式较开环方式能更好地抑制振动的 影响。(2) 激光通信演示实验 日本在第一个永久性载人国际空间站上设置了名为“希望号”的可装卸式实验舱JEM，在该舱外的实验平台上搭载了 LCDE，用于与地面和其他卫星进行超高速光通信实验。 主要参数如表 1 所示：表1淞光通信实验装直主要姿数并题a天録直径m15遊朋式蘇归砌冲强度词制凰收方式电商耶台戎站器凰收用保桃撐餌光纤憨器直畏挥翦地面天违直径比炳IGI期叽血瞪忧通倍吋跟IS过长/和5.5U通倍液长上厅沖苗1 562通1战长IT厅対苗1 552上厅功酚w11.3

15、 欧洲卫星光通信的发展欧空局在空间光通信研究中不断采用当代最新技术,它所发展的一系列空间光通信终端形象地展示了高新技术的发展对其影响。在SIL EX终端中，采用800nm左右的GaAlAs半 导体激光器。80年代末，这种半导体激光器平均功率60mW，它限制了 SIL EX终端数据率的 提高，在L EO和GEO终端光学望远镜孔径都是25cm的条件下,SIL EX终端从L EO向 GEO传输数据率为50Mbps，且SIL EX终端的质量是157kg ,功耗为150W ,这样的SIL EX 终端很难替代 RF 终端。随着技术的不断进展，欧空局开始发展第二代空间光通信系统。ESA于1992年1月开 展

16、研制精巧的小光学用户终端（SOU T）计划8 。SOU T计划不再采用相同的L EO与 GEO 终端，而是采用较小的 L EO 发射机来集中发展一种不对称的系统，以减少对空间飞行 器的限制。由于SOU T终端采用发射功率达1W的、具有与SIL EX终端相同波长的半导 体激光器，在发射天线直径为7cm时,数据率可达到420Mbps，同时，功耗降为40W ,质量仅为 25kgo SOU T计划在1994年12月顺利完成。继SOU T计划后,1995年ESA开始进行改进SOU T终端的ARTES24合作计划。该 计划研究由SOU T终端向新型终端SOTT终端转变所需全部技术。由于采用新型的MOPA主振荡能量放大）半导体激光器而使通信容量大增。目前,SOTT计划正向着数