國(guó)外星地激光通信試驗(yàn)及其鏈路分析

賈旭 李少輝

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

1 引言

星地激光通信技術(shù)是未來(lái)衛(wèi)星通信技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向，與微波通信相比，具有通信容量大、終端體積小和保密性好等優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)代衛(wèi)星對(duì)地高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笤絹?lái)越迫切，目前利用新的調(diào)制體制和天線極化復(fù)用技術(shù)，微波星地?cái)?shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)900 Mbit／s，如此高的傳輸數(shù)據(jù)速率依然滿足不了用戶大數(shù)據(jù)量的下傳需求。在衛(wèi)星體積、重量和輸出功率相當(dāng)?shù)臈l件下，激光通信技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)幾吉比特到幾十吉比特每秒的數(shù)據(jù)傳輸能力，因此，對(duì)于星地激光通信的需求越來(lái)越迫切。

典型的星地激光通信鏈路一般包括光學(xué)跟瞄子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)和傳輸信道（含大氣信道）3部分。光學(xué)跟瞄子系統(tǒng)主要進(jìn)行瞄準(zhǔn)、捕獲和跟蹤（PAT），是星地激光通信鏈路建立與保持的基礎(chǔ)，該系統(tǒng)主要考慮的是捕獲跟蹤策略和對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)的擾動(dòng)具有補(bǔ)償能力，一般包括粗瞄準(zhǔn)系統(tǒng)和精瞄準(zhǔn)系統(tǒng)。通信子系統(tǒng)包括發(fā)射部分和接收部分，與鏈路余量設(shè)計(jì)相關(guān)的因素主要包括：①發(fā)送和接收部分：主要有望遠(yuǎn)鏡收發(fā)形式、望遠(yuǎn)鏡倍數(shù)、發(fā)射功率和接收靈敏度等指標(biāo)。在工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，各個(gè)指標(biāo)都是相互制約的，比如，望遠(yuǎn)鏡口徑增大必然導(dǎo)致激光通信終端設(shè)備體積和重量的增加，可能導(dǎo)致終端不滿足衛(wèi)星的約束條件，通過(guò)鏈路余量設(shè)計(jì)，可以很好地在各個(gè)相關(guān)項(xiàng)目權(quán)衡，得到最優(yōu)化方案。②傳輸信道部分：須要考慮星地激光通信的距離和大氣對(duì)激光通信質(zhì)量的影響。星地激光通信須要考慮大氣層對(duì)激光傳輸?shù)挠绊?，大氣?duì)激光具有吸收與散射作用，同時(shí)由于大氣始終處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，還必須考慮大氣湍流效應(yīng)。大氣湍流效應(yīng)對(duì)激光傳輸?shù)挠绊懼饕ǎ汗馐破鸱?、光束到達(dá)角起伏、光束擴(kuò)展與分裂，以及光強(qiáng)閃爍。這些湍流效應(yīng)的共同作用將影響到整個(gè)通信系統(tǒng)的性能。所以，星地激光通信鏈路設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)大氣的影響要足夠重視。而針對(duì)大氣各種效應(yīng)，各個(gè)終端一般采用多孔徑發(fā)射技術(shù)實(shí)現(xiàn)多激光束傳輸。針對(duì)鏈路余量設(shè)計(jì)，可以把大氣的影響歸結(jié)為傳輸路徑上能量的損失。

本文結(jié)合國(guó)外星地激光通信發(fā)展歷程，介紹了國(guó)外具有代表性的3個(gè)激光通信終端的設(shè)計(jì)指標(biāo)和試驗(yàn)情況，并列表進(jìn)行了對(duì)比；通過(guò)建立激光鏈路余量計(jì)算公式，對(duì)國(guó)外的典型激光通信試驗(yàn)的鏈路設(shè)計(jì)數(shù)值進(jìn)行了復(fù)核與比較；提出了鏈路設(shè)計(jì)重點(diǎn)和優(yōu)化建議。

2 星地激光通信發(fā)展歷程

世界上首次成功進(jìn)行衛(wèi)星光通信試驗(yàn)的是日本工程試驗(yàn)衛(wèi)星-6（ETS-VI），該試驗(yàn)被命名為“星地激光通信演示驗(yàn)證計(jì)劃”（GOLD）。該衛(wèi)星于1994年8月發(fā)射，由于助推火箭出現(xiàn)了故障，無(wú)法到達(dá)預(yù)定的地球同步軌道，只好在大橢圓軌道上運(yùn)行，雖然原定的試驗(yàn)計(jì)劃無(wú)法進(jìn)行，但日本和美國(guó)合作對(duì)地面系統(tǒng)進(jìn)行了改造，制定了新的試驗(yàn)計(jì)劃，利用美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）的光學(xué)地面站成功進(jìn)行了星地激光通信試驗(yàn)。從1994年12月起，上行和下行激光發(fā)射試驗(yàn)開(kāi)始進(jìn)行。由于要克服大氣湍流和各種閃爍引起的上行激光光束嚴(yán)重衰減，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的努力，ETS-VI與地面站的光通信試驗(yàn)終于在1995年7月成功完成，試驗(yàn)結(jié)果證明了星地鏈路的可行性［1］。

從1995年起，美國(guó)的彈道導(dǎo)彈防御組織（BMDO）實(shí)施了第二代空間技術(shù)研究飛行器（STRV-2）試驗(yàn)計(jì)劃。該項(xiàng)計(jì)劃的主要目的是低軌三軍服務(wù)試驗(yàn)衛(wèi)星-5（TSX-5）的激光通信終端（LCT）與地面站間的上行和下行激光鏈路試驗(yàn)，驗(yàn)證衛(wèi)星光通信技術(shù)。TSX-5衛(wèi)星于2000年6月7日發(fā)射，近地點(diǎn)高度403km，遠(yuǎn)地點(diǎn)高度1686km，軌道傾角69°。由于TSX-5衛(wèi)星的定軌和姿態(tài)控制精度沒(méi)有達(dá)到預(yù)定要求，星上激光通信終端無(wú)法捕獲到地面光通信終端發(fā)射的信標(biāo)光，STRV-2計(jì)劃進(jìn)行的星地激光鏈路試驗(yàn)宣告失?。?］。

日本“星間光通信工程試驗(yàn)衛(wèi)星”（OICETS）（日語(yǔ)為“閃光”之意）計(jì)劃，由日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）研制，該衛(wèi)星于2005年8月23日發(fā)射，工作于610km 高的太陽(yáng)同步軌道。OICETS計(jì)劃有兩個(gè)目的：①利用星上裝載的激光通信終端（LUCE）在自由空間與歐洲航天局（ESA）研制的“先進(jìn)數(shù)據(jù)中繼與技術(shù)任務(wù)衛(wèi)星”（ARTEMIS）之間，進(jìn)行星間激光通信演示驗(yàn)證；②利用LUCE進(jìn)行星地激光通信演示驗(yàn)證，該演示驗(yàn)證包括與日本國(guó)家信息通信技術(shù)研究所（NICT）的光學(xué)地面站（OGS）通信試驗(yàn)，試驗(yàn)名稱為“閃光衛(wèi)星與日本光學(xué)地面站的光通信演示試驗(yàn)”（KODEN）。OICETS 衛(wèi)星與德國(guó)航空航天研究院（DLR）的光學(xué)地面站的通信試驗(yàn)，試驗(yàn)名稱為“閃光衛(wèi)星與德國(guó)光學(xué)地面站的光通信演示 試 驗(yàn)”（KIODO）。2006年3月、5月 和9月，KODEN 試驗(yàn)共進(jìn)行了18次，衛(wèi)星捕獲和跟蹤成功時(shí)間占整個(gè)試驗(yàn)時(shí)間的61%，其余時(shí)間都處在多云等天氣條件較差的情況。2006年6月，KIODO 試驗(yàn)進(jìn)行了8 次，晴天條件下，捕獲和跟蹤成功率為100%。2008年OICETS衛(wèi)星與NICT 所屬的光學(xué)地面站進(jìn)行了通信試驗(yàn)；2009年，OICETS 衛(wèi)星與4個(gè)地面站分別進(jìn)行了通信，4 個(gè)地面站分別屬于DLR、ESA、JPL 和NICT，通過(guò)氣象衛(wèi)星或者天氣預(yù)報(bào)，在一個(gè)地面站有云層覆蓋時(shí)，選擇與另外的光學(xué)地面站通信，有效地增加了星地激光通信的效率［3］。

3 典型衛(wèi)星激光通信終端設(shè)計(jì)方案比較

本節(jié)著重介紹以下3個(gè)國(guó)外典型的星地試驗(yàn)計(jì)劃：STRV-2、ETS-VI（GOLD）和OICETS（KODEN／KIODO），并對(duì)其與鏈路設(shè)計(jì)相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行比較。

1）STRV-2［4］試驗(yàn)計(jì)劃

STRV-2試驗(yàn)計(jì)劃最終失敗，未能驗(yàn)證激光通信鏈路設(shè)計(jì)的合理性，但從其公開(kāi)資料中對(duì)終端指標(biāo)的描述，也能了解激光通信鏈路設(shè)計(jì)的思想。

（1）終端基本信息：終端名為激光通信終端（LCT），質(zhì)量為19．7kg，最大功耗為94．1 W。

（2）光學(xué)跟蹤瞄準(zhǔn)子系統(tǒng)：采用波長(zhǎng)為852nm 的信標(biāo)光進(jìn)行捕獲，激光器輸出功率為65mW，共2個(gè)激光器，束散角分別為500μrad和1500μrad。利用干涉濾波器CCD跟蹤瞄準(zhǔn)，瞄準(zhǔn)分辨率為6μrad，跟蹤精度為±40μrad。

（3）通信子系統(tǒng)：望遠(yuǎn)鏡口徑為7．5cm，放大倍數(shù)為15；發(fā)射部分為雙通道極化復(fù)用，4個(gè)激光器，傳輸數(shù)據(jù)率雙通道達(dá)到1．24Gbit／s，波長(zhǎng)為810nm，單個(gè)激光器輸出功率為62．5mW，束散角為80μrad，二進(jìn)制相移鍵控（BPSK）調(diào)制；接收部分為2臺(tái)望遠(yuǎn)鏡，主鏡孔徑為13．7cm，用2 個(gè)雪崩光電二極管（APD）作為通信接收探測(cè)器，APD視場(chǎng)角為800μrad，主鏡還用于1個(gè)原子濾波器CCD跟蹤瞄準(zhǔn)通道，捕獲視場(chǎng)為20mrad，次鏡孔徑為3．8cm。

TSX-5衛(wèi)星成功發(fā)射后，進(jìn)入410km／1750km的橢圓軌道，之后TSX-5衛(wèi)星搭載的激光通信終端與位于高山上的地面站進(jìn)行了17次激光通信連接，但都沒(méi)能成功。該光學(xué)終端不能捕獲和跟蹤地面站發(fā)射的信標(biāo)光有2個(gè)原因：①衛(wèi)星的姿態(tài)控制精度設(shè)計(jì)值為±0．5°，實(shí)際在軌測(cè)試為6°；②該終端的PAT 方案捕獲跟蹤為開(kāi)環(huán)設(shè)計(jì)，對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)沒(méi)有補(bǔ)償能力［4］。圖1 為TSX-5衛(wèi)星搭載的激光通信終端LCT 功能框圖。

圖1 激光通信終端LCT 功能框圖Fig．1 LCT block diagram

2）ETS-VI（GOLD）［5］

（1）終端基本信息：終端名為激光通信設(shè)備（LCE），質(zhì)量為22．4kg，最大功耗為94 W。

（2）光學(xué)跟瞄子系統(tǒng)：LCE 的粗跟蹤和粗瞄準(zhǔn)方式有3種，即自由轉(zhuǎn)動(dòng)模式、開(kāi)環(huán)模式和閉環(huán)模式；精跟蹤和精瞄準(zhǔn)方式有2種，即開(kāi)環(huán)模式和閉環(huán)模式；提前瞄準(zhǔn)控制方式有2種，即開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制；接收探測(cè)器（APD）工作方式：自動(dòng)增益控制和固定增益；捕獲和粗跟蹤轉(zhuǎn)動(dòng)裝置為兩軸萬(wàn)向節(jié)／螺旋掃描，捕獲探測(cè)范圍±1．5°，捕獲探測(cè)視場(chǎng)為8mrad，捕獲探測(cè)精度為32μrad。精跟蹤轉(zhuǎn)動(dòng)方式為螺旋掃描，精跟蹤探測(cè)視場(chǎng)為0．4mrad。具有提前瞄準(zhǔn)模塊：轉(zhuǎn)動(dòng)方式為壓電陶瓷，提前瞄準(zhǔn)范圍大于±100μrad，分辨率優(yōu)于2μrad。

（3）通信子系統(tǒng)：望遠(yuǎn)鏡口徑為7．5cm，放大倍數(shù)為15；發(fā)射子系統(tǒng)：波長(zhǎng)為830nm，束散角為30／60μrad，平均輸出功率為13．8mW，傳輸數(shù)據(jù)率為1．024Mbit／s，調(diào)制方式為強(qiáng)度調(diào)制和曼徹斯特（Manchester）碼。接收子系統(tǒng)：接收探測(cè)器波長(zhǎng)為510nm，探測(cè)信號(hào)強(qiáng)度為-62dBm時(shí)，誤碼率為10-6，視場(chǎng)為0．2mrad。

圖2為L(zhǎng)CE的功能框圖，其光路為收發(fā)共用光路，箭頭方向?yàn)楣庑盘?hào)的走向。

圖2 激光通信終端LCE功能框圖Fig．2 LCE Block Diagram

3）OICETS（KODEN；KIODO）［6］

（1）終端基本信息：終端名為以激光為工具的通信設(shè)備（LUCE），質(zhì)量為140kg，最大功耗為280 W。

（2）光學(xué)跟瞄子系統(tǒng)：包含粗瞄準(zhǔn)跟蹤和精瞄準(zhǔn)跟蹤系統(tǒng)，粗瞄準(zhǔn)跟蹤和精瞄準(zhǔn)跟蹤相互獨(dú)立，控制頻率帶寬分別為：粗瞄準(zhǔn)2Hz，精瞄準(zhǔn)200Hz。捕獲和粗跟蹤轉(zhuǎn)動(dòng)裝置為兩軸萬(wàn)向節(jié)，粗瞄準(zhǔn)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍方位角0°到370°，俯仰角0°到120°，直流驅(qū)動(dòng)方式，開(kāi)環(huán)瞄準(zhǔn)精度優(yōu)于±0．2°，粗跟蹤視場(chǎng)為0．4°，精跟蹤視場(chǎng)為400μrad，捕獲時(shí)間優(yōu)于360ms，捕獲精度優(yōu)于±3．6μrad（3σ），跟蹤精度優(yōu)于±2．6μrad（3σ），傳感器CCD，精瞄準(zhǔn)角度范圍為±500μrad，驅(qū)動(dòng)方式為壓電陶瓷，精跟蹤精度為±1μrad。提前瞄準(zhǔn)子系統(tǒng)：提前瞄準(zhǔn)范圍大于±75μrad。

（3）通信子系統(tǒng)：望遠(yuǎn)鏡口徑為26cm，放大倍數(shù)為20；發(fā)射子系統(tǒng)：波長(zhǎng)為847nm，平均輸出功率為53mW，束散角為上行204μrad／下行5．5μrad，上行傳輸數(shù)據(jù)率為2．048 Mbit／s，下行傳輸數(shù)據(jù)率為49．372 4Mbit／s，調(diào)制方式為2PPM。接收子系統(tǒng)：接收探測(cè)器波長(zhǎng)范圍為797～808nm，探測(cè)信號(hào)強(qiáng)度為-67．7dBm 時(shí)，誤碼率為10-6，視場(chǎng)為7mrad［7］。

圖3為L(zhǎng)UCE的功能框圖，粗線表示的是光信號(hào)的傳輸路徑，細(xì)線表示的是電信號(hào)的傳輸路徑。

圖3 激光通信終端LUCE功能框圖［8］Fig．3 LUCE Block Diagram

根據(jù)任務(wù)的不同，激光通信終端的設(shè)計(jì)各有差異，表1為上述3個(gè)激光通信終端的參數(shù)比較。從表1中可以清晰地看出不同終端設(shè)計(jì)的共性與差異性。

表1 3種典型激光通信終端參數(shù)比較Table 1 Characteristics of three typical laser communications terminals

通過(guò)以上激光通信終端參數(shù)指標(biāo)的比較，可以看出以下特點(diǎn)：①除了STRV-2 望遠(yuǎn)鏡為收發(fā)分離外，其余終端設(shè)計(jì)都采用的是收發(fā)共用，后端光路進(jìn)行分離。收發(fā)共用除可以使終端設(shè)計(jì)更加緊湊外，還能保證收發(fā)光路的同軸度好。②合理的光學(xué)跟蹤瞄準(zhǔn)子系統(tǒng)應(yīng)包含粗跟蹤和精跟蹤系統(tǒng)以及提前瞄準(zhǔn)角的補(bǔ)償，PAT 方案捕獲跟蹤須要采用閉環(huán)設(shè)計(jì)，保證粗跟蹤和精跟蹤的精度。單純依靠整星姿態(tài)軌道控制的指向精度和穩(wěn)定度，滿足不了鏈路建立和維持的要求。③上述激光通信終端多采用800nm 波段的激光，其具有較好的大氣投射能力，并且器件獲得性好，光源體積小，重量輕，器件功耗低，可直接調(diào)制，適合空間環(huán)境對(duì)器件各方面的要求。由于高速傳輸?shù)男枨螅?550nm 波段的激光光源也被視為熱門研究對(duì)象，因?yàn)?，該波段可采用激光器加摻鉺光纖放大器（EDFA）的光放大技術(shù)，來(lái)滿足高調(diào)制碼率條件下的大功率發(fā)射要求，該波段光源發(fā)射光束質(zhì)量好，準(zhǔn)直也較容易［9］。④3 個(gè)激光通信終端的通信數(shù)據(jù)率并不高，但在星間激光通信試驗(yàn)中，已成功進(jìn)行了數(shù)據(jù)率高達(dá)5．625 Gbit／s激光通信試驗(yàn)，由于大氣湍流對(duì)激光通信的影響，使星地激光通信的設(shè)計(jì)難度大大增加，但是借用星間激光通信的成功經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化和器件優(yōu)化，星地激光通信的傳輸速率會(huì)大大提高，能滿足實(shí)際使用需求，而不是還停留在演示階段。

4 鏈路余量設(shè)計(jì)指標(biāo)分析

在衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，須要考慮各種實(shí)際因素的影響，這時(shí)通常采用鏈路余量公式來(lái)評(píng)價(jià)鏈路系統(tǒng)的性能。利用微波鏈路的分析方法，可以建立以下對(duì)應(yīng)的激光鏈路余量公式［10］。

式中：M為激光星間鏈路余量，一般情況下至少有3dB；PLD為激光器的輸出功率（dBW）；GT為發(fā)射天線增益；τt為發(fā)射天線系統(tǒng)光學(xué)透射率；LFSL為自由空間傳輸損耗；GR為接收天線增益；τr為接收光學(xué)天線系統(tǒng)光學(xué)透射率；ηdd為直接探測(cè)的探測(cè)器接收效率；Sreq為達(dá)到系統(tǒng)誤碼率（BER）和信噪比（SNR）要求的最小光功率（dBW）；τatm為大氣損耗；LFM為大氣閃爍帶來(lái)的損失。以上各個(gè)參量均以分貝表示。

根據(jù)式（1），對(duì)第3節(jié)中典型的星地激光通信試驗(yàn)的鏈路余量情況進(jìn)行了復(fù)核，由于STRV-2激光通信試驗(yàn)未取得成功，對(duì)其鏈路余量復(fù)核工作不能開(kāi)展，因此本節(jié)對(duì)ETS-VI和OICETS試驗(yàn)進(jìn)行了復(fù)核，具體見(jiàn)表2、表3。

表2 ETS-VI（GOLD）鏈路余量計(jì)算［11］Table 2 Link budget analysis for ETS-VI（GOLD）

從表2和表3可以看出，OICETS鏈路余量比GOLD 試驗(yàn)的鏈路余量大，在軌試驗(yàn)的結(jié)果也與鏈路余量復(fù)核的結(jié)果相一致。GOLD 試驗(yàn)完成了激光通信鏈路的建立，但是未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道其具體試驗(yàn)的有效通信時(shí)間和誤碼率等信息。OICETS星地試驗(yàn)，不僅多次完成了激光通信鏈路的建立與保持，在天氣條件較好的情況下，成功率為100%，在軌測(cè)試誤碼率在10-5～10-7之間。

表3 OICETS鏈路余量計(jì)算［12］Table 3 Link budget analysis for OICETS

5 結(jié)論

研究星地激光通信鏈路設(shè)計(jì)工作的意義，在于對(duì)通信系統(tǒng)總體的了解和掌握，并對(duì)參數(shù)的調(diào)整和一些硬件設(shè)備的選取提供理論數(shù)據(jù)。由國(guó)外典型星地激光通信試驗(yàn)得出如下結(jié)論。

（1）PAT 子系統(tǒng)是保證星地激光通信試驗(yàn)成功的基礎(chǔ)。典型PAT 系統(tǒng)分為粗跟蹤和精跟蹤兩部分，并且多數(shù)都有提前瞄準(zhǔn)功能，以減少星地相對(duì)運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的指向誤差。PAT 系統(tǒng)不僅完成了鏈路的建立和維持工作，其瞄準(zhǔn)誤差參數(shù)還直接影響星地激光通信系統(tǒng)的性能及總體設(shè)計(jì)中對(duì)光源的選擇，以及接收機(jī)靈敏度指標(biāo)、光學(xué)天線發(fā)射口徑等參數(shù)的確定。

（2）天氣條件是星地激光通信試驗(yàn)重要的影響因素，晴天條件下，大氣帶來(lái)的能量損失最小，鏈路余量增大，星地激光通信試驗(yàn)成功率高。鏈路余量設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)大氣帶來(lái)的能量損失要有足夠的預(yù)計(jì)，大氣對(duì)激光通信的影響非常復(fù)雜，就鏈路余量設(shè)計(jì)而言，歸為能量損失是簡(jiǎn)單有效的方法。在激光地面站選址時(shí)，天氣條件也是一個(gè)非常重要的因素。

（3）高性能的激光通信終端應(yīng)該滿足高碼率、小型號(hào)、輕量化、低功耗等要求。盡管望遠(yuǎn)鏡口徑增大可以增大天線的增益，為鏈路余量的設(shè)計(jì)帶來(lái)好處；但是衛(wèi)星對(duì)激光通信終端的質(zhì)量、體積和功耗都有著嚴(yán)格的要求。未來(lái)星載激光通信終端的發(fā)展方向，就是通過(guò)各種光學(xué)技術(shù)使激光通信終端具備碼率更高，體積更小，質(zhì)量更輕，功耗更低的特性，并且滿足鏈路余量設(shè)計(jì)要求。

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