·信息光学课程论文· 关于卫星光通信技术发展现况综述

陈毅强 (哈尔滨工业大学航天学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

摘要 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探索。本文介绍了卫星激光通信系统组成及其关键技术，之后介绍了影响卫星光通信系统性能的因素及对策，最后详细介绍了国内外卫星激光通信的研究现状及最新发展动态。

关键词 卫星光通信 星间通信系统 对准跟踪 发展现况 中图分类号 O436 文献标识码 A

On satellite optical communication technology development status overview

yiqiang chen (Harbin Institute of Technology，Space Academy，Harbin，Heilongjiang 150001，China)

Abstract Optical communication is that people after years of exploration and breakthroughs in recent years, new technology. The satellite optical communication is a brand new space communications means. The use of artificial earth satellites as a relay station forwards the laser signal can be achieved in a number of spacecraft, as well as between the spacecraft and the earth station communication. Its transmission rate is high, available bandwidth, security (reliability) high, confidentiality, terminal equipment, small size, light weight, low power consumption and persistently attracted national experts to explore. This paper describes the satellite laser communication system components and its key technology, and then introduces the impact of satellite optical communication system performance factors and countermeasures, the final details of the domestic and international satellite laser communications research status and recent developments. Keywords Satellite optical communication; Inter-satellite communication system; Alignment Tracking; Development Status

1 引言 在现在信息量高速增长的情况下, 人们对通信系统容量的要求也在高速增长, 而当前无线通信受到带宽和容量限制, 已经不能满足当前需要, 对图像信息的实时传递更是无能为力。随着激光的产生, 光波通信技术日益表现出适应这种通信需求的势头。卫星激光通信是一个较新的研究领域,美国欧洲、日本等国都对此极其关注, 并已进行了深入的研究, 这主要是因为用激光进行卫星间通信具有如下优点: 开辟了全新的通信频道使调制带宽可以显著增加、能把光功率集中在非常窄的光束中、器件的尺寸、重量、功耗都明显降低、各通信链路间的电磁干扰小、保密性强并且显著减少地面基站, 最少可只有一个地面站。 卫星激光通信包括深空、同步轨道、低轨道、中轨道卫星间的光通信, 有GEO (geosynchronous earth orbit , GEO)- GEO,GEO- LEO ( low- earth orbit , LEO), LEO - LEO, LEO- 地面等多种形式, 同时还包括 卫星与地面站之间的通信。随着元器件发展, 卫星光通信技术已基本成熟, 并逐渐向商业化方向发展, 美国、欧洲、日本等国家都制定了多项有关卫星激光通信的研究计划, 对卫星激光通信系统所涉及到的各项关键技术展开了全面深入的研究, 在最近几年卫星激光通信就将进入实用化阶段。特别是一旦实现小卫星星座之间的激光星间链路及其系统成熟, 必将更加促进其商业化发展。可以预言, 卫星激光通信必将成为未来超大容量卫星通信的最主要的途径。 卫星通信网络是利用人造地球卫星作为中继站转发无线电波，从而实现两个或多个地面站之间通信的网络。其中，地面站是指设在地球表面（包括地面、水面和大气层）的通信站，也称为地球站。通信卫星的作用相当于离地面很高的中继站。卫星通信网络分为延迟转发式通信网络和立即转发式通信网络。 当卫星的运行轨道属于低轨道时，对于相对较远的地面站而言，要进行远距离实时通信，除采用延迟转发方式（利用一颗卫星）外，也可以利用多颗低轨道卫星进行转发，这种网络就是通常所说的低轨道移动卫星通信网络。

2 卫星光通信系统组成 为了实现空间光传输与ATP (acquisition tracking pointing)技术, 通常需要信号光与信标光。一般的卫星间光通信系统由以下4 部分组成： 2.1 光天线伺服平台 包括天线平台及伺服机构, 由计算机控制。在捕获阶段完成捕获扫描, 系统处于按预设指令工作状态, 将光束导引到粗定位接收视场, 从而完成光束捕获。在跟踪、定位阶段,根据跟踪探测器获得的误差信号, 经处理后送到伺服执行机构, 构成一个负反馈闭环系统, 完成精定位。对于运动载体上的光通信系统, 为了减小各种扰动误差影响, 还需要增加陀螺控制回路。 2.2 误差检测器 包括光天线及光电探测器。光电探测器一般由捕获探测器和定位探测器两部分组成。捕获探测器完成捕获与粗跟踪, 并将接收到的光信号引导到定位探测器上, 进行精定位,最后调整收发端, 使光束对准。 2.3控制计算机 控制计算机包括中心控制处理器与输入、输出接口设备。控制计算机可以接收卫星控制指令, 控制天线伺服平台粗对准光链路的连接方向。捕获阶段可以由预定的程序控制光束扫描和捕获。在跟踪阶段, 计算机对误差信号进行计算,并实时地输出信号控制天线伺服平台的粗、精跟踪, 完成光束的对准。 2.4光学平台 收发端机的功能是探测对方发来的信标光, 确定信标光方位, 给出误差信号使ATP 系统校正接收天线的方位,完成双方光天线的粗对准。在天线已粗对准的情况下, 探测双方发来的信号光, 并利用信号光在4 象限探测器上的坐标,提供方位误差信号给ATP 单元完成双方天线的精对准和跟踪任务。探测对方发来的信号光, 通过放大、解调等电处理, 完成通信任务。

3 卫星光通信的关键技术 3.1 CDMA技术 CDMA(码分多址)系统通过采用话音激活技术、前向纠错（FEC）技术、功率控制技术、频率复用技术、扇区技术等技术手段，可使CDMA系统容量大幅扩大，同时，它还具有抗多径干扰能力、更好的话音质量和更低的功耗以及软区切换等优点。CDMA以其本身所具有的特点及优越性而广泛应用于数字卫星通信系统中。特别是近年来，小卫星技术的发展为实现全球移动通信和卫星通信提供了条件，利用分布在中、低轨道的许多小卫星实现全球个人通信，已在国际上逐渐形成完善的体系。 CDMA移动卫星通信系统根据导频信号的幅度实现功率控制, 减少用户对星上功率的要求从而增加系统的容量，减少多址干扰；CDMA移动卫星通信系统可利用多个卫星分集接收，大大降低多径衰落的影响，改善传输的可靠性。此外，由于CDMA多址方式具有优越的抗干扰性能、很好的保密性和隐蔽性、连接灵活方便所等特点，决定了它在军事卫星通信上具有重要的意义。 3.2 抗干扰技术 现代军事斗争中，敌我双方对卫星通信干扰与抗干扰技术对抗越来越激烈。未来战争中电磁环境将变得越来越复杂，卫星通信因其固有的特点而面临极大的威胁。由于通信卫星始终暴露在太空中，且信道是开放的，易于受对方攻击。因此，军事卫星通信中干扰和抗干扰是斗争双方关注的焦点，研究在复杂电磁环境下卫星通信抗干扰技术体制已成为提高军事通信装备生存能力、确保军事指挥顺畅的关键。 卫星通信抗干扰主要通过传输链路抗干扰、软硬件设备抗干扰以及建立综合智能抗干扰体系等措施实现。 传输链路抗干扰主要有DS/FH混合扩频、自适应选频、自适应频域滤波、猝发通信、时域适应干扰消除、基于多用户检测的抗干扰、跳时(TH)、自适应信号功率管理、自适应调零天线、多波束天线、星上SmartAGC、分集抗干扰、变换域干扰消除、纠错编码和交织编码抗干扰技术等。软硬件设备抗干扰主要有光电隔离、硬件滤波、屏蔽、数字滤波、指令冗余、程序运行监视等技术。建立综合智能抗干扰体系可以通过建立软件化抗干扰硬件平台、建立智能化抗干扰软件应用系统，如：智能抗干扰系统、网络监测控制系统、专家策略支持系统等措施实现。 特别值得一提的一种抗干扰、抗搜索、抗截获的技术是跳频通信技术，它是在现代信息对抗日益激烈的形势下迅速发展起来的。各国军方对这一先进技术的发展和应用十分重视，不断加强对跳频抗干扰通信的研究和推广应用。目前，跳频技术装备正朝着宽频带、高速率、数字化、低功耗的方向快速发展，其信息战潜力巨大。 3.3 基于MPLS的移动卫星通信网络体系构架 MPLS（多协议标签交换）技术由于可将IP路由的控制和第二层交换无缝地集成起来，具有IP的许多优点(如扩展性、兼容性好)，又可很好地支持QOS和流量工程，是目前最有前途的网络通信技术之一。近年来，在地面固定网MPLS技术逐渐成熟后，该技术已向光通信、无线通信和卫星通信等领域扩展。现有的宽带卫星系统设计主要采用卫星ATM 技术，研究表明该技术可给不同的业务提供很好的QOS保证，并可利用面向连接的虚通路设计以及流量分类等方法为网络提供有效的流量工程设计。 卫星MPLS体系结构分为用户层、接入层、核心层三部分，其中，用户层包括卫星手持移动终端(直接接入移动卫星网)、小型专用局域网用户(通过小型地面移动终端接入卫星网)、其他网络用户(通过地面网关站接入卫星网络)等。接入层由标签边缘交换路由器(LER)组成，完成卫星MPLS网同其他网络以及卫星手持移动终端的连接，其主要功能包括实现对业务的分类、建立FEC和标签之间的绑定、约束LSP的计算、分发标签、剥去标签以及用户QOS接纳管理和相应的接入流量工程控制等。核心层由标签交换路由器(LSR)组成，完成信息按MPLS标签进行交换转发，其上主要运行MPLS控制协议和第三层路由协议，并负责与其他标签交换路由器交换路由信息来建立路由表、分发标签绑定信息、建立和维护标签转发表等工作。 3.4 捕获、跟踪、瞄准技术 快速、精确的捕获、跟踪和瞄准是保证空间远距离光通信的前提，属于空间远距离光通信的核心技术。由于卫星之间的相对运动和为了减小发射功率，激光信标发射采用的是微弧度量级的窄波束，所以更使得捕获、跟踪、瞄准的难度进一步加大。因此，在相距极远的两颗卫星之间，必须保证信标光的发射波束覆盖接收机的接收天线，这样才能保证接收端捕获和跟踪发射端的窄波束，并且非常有必要对空间飞行条件进行深入透彻的分析，从而制订合理的、切实可行的捕获、跟踪与瞄准方案，同时优化设计，最终实现快速、精确的捕获、跟踪和瞄准，达到或者满足系统所要求的指标。 为了缓解对空间瞄准、捕获和跟踪系统苛刻的要求，同时加快通信链路建立速度，接收机的视场角一定要宽，为几个毫弧度，灵敏度为-110分贝瓦，跟踪精度为几十个毫弧度。然而这样接收的背景辐射功率就会迅速上升，掩埋其中的信标信号。解决这一问题的关键在于在接收机中使用超窄带宽、高透射率的光学滤波器。 系统完成目标捕获后，就要对目标进行瞄准和实时跟踪。通常采用四象限红外探测器QD或Q-APD高灵敏度位置传感器来实现，并配以相应的电子学伺服控制系统。精跟踪要求视场角为几百微弧度，跟踪灵敏度为-90分贝瓦，跟踪精度为几微弧度。