关于卫星光通信技术发展现况综述

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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