卫星激光技术及其最新研究进展

　　激光通信具有信息容量大、传送线路多，保密性强、可传送距离较远，设备轻便、费用经济等优点。原来的电磁通讯技术容量小，保密性差，越来越不能满足社会发展的要求。

　　一,卫星激光通信的优点

　　卫星激光通信是以激光为传输媒介,在卫星之间建立光通信链路,实现数据传输的技术.卫星激光通信系统与微波通信系统相比具有以下优点:

　　1,大信道容量

　　激光的频率比微波高3到4个数量级,作为通信的载体意味着更大的可资利用频带.光通信每通道的数据速率可达20Gb/s以上,并且还可采用波分复用的技术使通信容量成倍上升,随着技术的进步还将有大幅度上升.

　　2,低功耗

　　激光的发散角很小,能量高度集中,落在接收机的望远镜天线上的功率密度高,从而发射机的发射功率可以大大降低,通信发射机功耗相对较低.这对于卫星通信这种功率资源宝贵的场合十分适用.

　　3,重量轻

　　发射机较低的发射功率和功率消耗使得发射机及其供电系统的重量得以下降;同时因为激光的波长短,在同样的发射波束发散角和接收视场角要求下,发射和接收望远镜的口径都可以较小.激光通信摆脱了微波系统巨大的碟形天线,重量和体积可以减轻很多,这对于卫星通信是十分有利的.

　　4,高度的保密性

激光具有高度的定向性,发射波束纤细,并且在短时间内能够传输大量数据,从而减少持续通信时间.因此卫星激光通信具有高度的保密性和抗干扰性,能有效地防止窃听和侦测,对于军事和民用都有较大的意义.典型的卫星激光通信系统波束发散角为10rad.

　　二,卫星激光通信的难点

　　卫星间激光通信具有上述优点的同时,也同样带来了卫星间光通信技术上的难点及其独有的特点:

　　1,卫星光链路的空间瞄准,捕捉和跟踪.卫星激光通信的发射波束很窄,这为其带来很多优点.但同时发射波束窄又在技术上造成巨大困难.相距很远的两颗卫星之间存在相互的高速运动,并且由卫星本身的振动可造成发射光束的抖动,这种情况下将通信发射光束准确地瞄准,照射并锁定在接收端卫星上是有相当难度的.因此,两个通信终端目标间的相互捕捉,瞄准,跟踪(Acquisition,Pointing,Tracking 简称APT)技术相当复杂,这也是致使卫星光通信发展缓慢的原因之一.

　　2,存在背景光的影响.这些背景光主要来源于太阳,月亮,金星,地球和其他星球的辐射,反射,各背景光源的辐射强度不同,频谱分布不同,对接收机所成的张角也不同.当接收机视场角包含的噪声源不同时,接收机受到的影响也不同.根据有关资料,背景光有时可以达到很强的程度,远远大于接收到的信号光强度,这就要求卫星之间的通信系统具有较强的抗背景噪声能力.而光纤通信系统由于激光在光纤中传播,背景光不能进入光纤,所以不存在背景光问题.

　　3,终端之间有相对运动.轨道之间的链路(IOL)上两颗卫星之间有相对运动,会使激光产生多谱勒频移,频移量大小为±10GHz,频率变化速率为±13MHz/s,这对于某些通信的调制/解调方案会产生较大的影响.光纤通信系统中的终端位置固定,不存在激光的多谱勒频移问题.

　　4,卫星之间的通信距离远.地球同步卫星到地球同步卫星(GEO-GE0)之间的通信距离可达42000公里.即使低轨道卫星到低轨道卫星(LEO-LEO)之间也有上千公里.半导体激光器发射功率小(一般只有几十毫瓦到几百毫瓦),光波在传播过程中有自由空间损耗,定位损耗,激光波束的强度是按距离的平方递减的,也就是意味着距离衰减很大,链路中间不能加中继.这就要求通信系统具有高的接收灵敏度,否则背景辐射等噪声的影响会使误码率达到不可接受的程度.除从检测器本身入手以外,纠错编码,外差接收等都是可能的解决途径.

5,卫星之间的激光通信对系统的可靠性要求高.这是因为发射机,接收机都在卫星上,卫星发射升空后在对其进行维护几乎不可能.

　　三, 卫星激光通信的最新研究状况

　　目前世界卫星激光通信已经从理论研究进入到应用基础和试验阶段,发展日新月异.在各国众多的光通信研究计划中,处于领先地位的技术集中在少数几个项目之中.

　　目前唯一一个可以在卫星间通信试验成功的计划是欧洲宇航局(ESA)的SILEX计划.SILEX计划是研究GEO和LEO之间的通信.SILEX对低轨道卫星SPOT4与同步轨道卫星ARTEMIS间激光通信进行了地面最终测试和飞行性能评估.带有SILEX通信端机的SPOT4卫星于1998年3月22日成功发射,载有PASTEL通信端机的的ARTEMIS于2001年7月12日发射升空.2001年11月22日,由低轨道卫星SPOT4带有的通信端机SILEX向同步轨道卫星ARTEMIS进行世界上首次激光通信试验并获得成功,传输码率为50Mbps.此次通信实验室成功,可以说具有划时代的意义,说明卫星激光通信终于可以进入了实用化的阶段.这套系统提供和CNES地球观测卫星建立联系的激光数据链路.CNES卫星在离地球832公里的高度运动,而Artemis卫星在一高达31000公里的太空轨道上.通过激光数据链路,低轨道卫星SPOT 4采集的图像数据实时地经Artemis送往Toulouse(法国南部城市),这样大大地减少了采集图像,发送数据回地面站的时间.这种传输只要两卫星光束不被地球遮挡就都能进行.建立光链路的主要挑战在于将一束极窄的信标光准确瞄准到正以7000m/s的速度飞行的对方卫星.值得一提的是,ESA从2003年以来,已经在LEO—GEO间开展了日常激光通信业务,每天在两颗卫星可相视的时间段内进行2次数据率为50 Mbps的数据传输业务,链路总时间超过300小时,已达到商用化水平.2002年4月,ESA也完成了被他们视作卫星光通信发展里程碑的GEO—地光链路实验.

　　1999年,美国JPL实验室进行了双向46.8公里水平地面光链路实验,该实验为未来卫星与地面站间激光通信的系统设计,特别是有关减轻大气影响的设计提供一个较早的评估.另外由美国JPL实验室资助,FY1998在为先进外层空间系统发展计划(ADSSD)设计和发展一个光通信(Opcomm)子系统.这项研究的目标在于最终能够提供一种原型设备,它能在外层空间的巨大距离下建立上行和下行的双向链路,并同时具备广泛的搜索功能.美国喷气动力实验室还开发研制了自由光通信分析软件(FOCAS),为了给任务计划者,系统工程师和通信工程师提供一种容易使用的工具来分析直接检测光通信链路,FOCAS程序能提供友好的界面,强有力而灵活的设计模式.

　　美国AT公司进行了STRV-2激光通信地面终端水平链路性能研究.该实验地面通信距离为13.8公里,通过此次实验对1999年六月发射的STRV-2卫星与地面光通信进行先期的地面测试.2000年7月7日,安装STRV-2模块的TSX-5飞行器被发射升空.

美国空军研究实验室1999年提出利用商业成熟应用技术来实现卫星间激光通信链路.卫星激光通信的一种侯选技术是应用1550nm地面光纤技术(EDFA和WDM).他们利用目前已有的器件建立了一个发射和前置放大接收OOK测试系统,在码率为155 ,622和2488Mbps条件下研究了卫星通信所感兴趣的一些参数,如滤光器带宽,判决门限,消光率和动态范围等.结果表明1550nm地面光纤技术可以被应用于卫星间激光通信链路中.

国外针对大气扰动对卫星光通信的影响也进行了许多研究.

　　美国中佛罗里达大学1999年提出了一个新型的相干阵列探测系统,该系统能够消除激光通信中由于大气扰动和目标移动所造成的相位起伏和多谱勒频移,同时解决了光电相位锁定环路所造成最大频率限制问题.这种方案应用了一束参考激光和一束偏振方向不同的信号激光作为发射光束,接收信号通过偏振光分束和一个二阶混频,由多个独立接收器接收的相干滤波信号能自动地同相,获得发射信号并消除激光通信中由于大气扰动和目标移动所造成的相位起伏和多谱勒频移.该方案使系统更加适用于激光通信.

　　1999年萨里大学通信系统研究中心通过恒星观测测量大气扰动的方案,对通信系统所在地大气扰动的预先观测对于工作于大气中的光学系统设计是非常重要的,恒星观测是一种有效且方便的方法.通过这种方案可以测量大气扰动层的高度,水平平均风速和折射率.

　　相对美国和欧洲而言,日本在卫星光通信研究方面起步较晚,但日本后来发展迅速.日本的两个计划——ETS-VI和OICETS计划是两个十分引人注目的空间光通信研究计划.

　　ETS-VI计划旨在进行星地之间的空间光通信实验,且已于1995年7月成功地在日本的工程试验卫星ETS-VI与地面站之间进行了星-地链路的光通信实验,这是世界上首次成功进行的空间光通信实验.此举使日本一跃而居空间光通信研究领域之首位.日本和欧州航天局还利用各自研制的,装于各自卫星上的空间光通信终端,合作进行空间光通信系统的空间实验,这进一步显示出空间领域逐步走向国际合作化的趋势.日本星地链路光通信实验的成功,进一步证明了空间光通信中难度最大的链路——星地链路的可行性.此外,日本还在OICETS计划中,积极研制专用于进行空间光通信系统实验的小型光学星间通信工程试验卫星(OICETS).OICETS只携带光学终端,质量为500kg,它将在500km的低轨道上运行.OICETS的目的是在空间对空间光通信的探测,跟踪等光学技术及光学装置进行实验,以评价及改进空间光通信技术及装置.

　　载有激光终端的OICETS卫星于2005年8月24日成功升空,该卫星现在改名为KIRARI,该低轨卫星于 2005年12月9日首次成功地与ARTEMIS卫星进行了双向激光通信实验,这使得卫星光通信技术向实用化方面又迈出了一大步.2005年12月以来,该卫星一直在进行日常激光通信试验,取得大量有关星间光通信技术的宝贵资料.其总系统组成包括NASDA的OICETS(KIRARI)卫星,数据中继卫星(DRTS),跟踪控制中心(TACC),国内跟踪通信站,EAS的ARTEMIS卫星和地面站.

　　KIRARI卫星完成与ARTEMIS卫星间的双向激光通信实验后,将卫星姿态做大调整,将头底位置互换,即将激光终端位置由卫星顶部转到卫星底部,这样可实施卫星与地面的激光通信.2006年3月18日,KIRARI卫星与日本东京地面光学站成功地进行了国际上首次LEO-地面的激光通信试验.

　　我国在卫星光通信方面的研究工作刚刚起步,处在单元技术及关键技术的模拟研究阶段.主要研究单位有北京大学,成都电子科技大学,哈尔滨工业大学,武汉大学等.

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