衛(wèi)星激光通信技術(shù)詳解

　　在現(xiàn)在信息量高速增長(zhǎng)的情況下，人們對(duì)通信系統(tǒng)容量的要求也在高速增長(zhǎng)， 而當(dāng)前無(wú)線通信受到帶寬和容量限制，已經(jīng)不能滿足當(dāng)前需要， 對(duì)圖像信息的實(shí)時(shí)傳遞更是無(wú)能為力。隨著激光的產(chǎn)生，光波通信技術(shù)日益表現(xiàn)出適應(yīng)這種通信需求的勢(shì)頭。衛(wèi)星激光通信是一個(gè)較新的研究領(lǐng)域，美國(guó)歐洲、日本等國(guó)都對(duì)此極其關(guān)注，并已進(jìn)行了深入的研究，這主要是因?yàn)橛眉す膺M(jìn)行衛(wèi)星間通信具有如下優(yōu)點(diǎn)：開(kāi)辟了全新的通信頻道使調(diào)制帶寬可以顯著增加、能把光功率集中在非常窄的光束中、器件的尺寸、重量、功耗都明顯降低、各通信鏈路間的電磁干擾小、保密性強(qiáng)并且顯著減少地面基站，最少可只有一個(gè)地面站。

　　衛(wèi)星激光通信包括深空、同步軌道、低軌道、中軌道衛(wèi)星間的光通信， 有GEO （geosynchronous earth orbit， GEO）- GEO，GEO- LEO （ low- earth orbit， LEO）， LEO - LEO， LEO- 地面等多種形式，同時(shí)還包括衛(wèi)星與地面站之間的通信。隨著元器件發(fā)展，衛(wèi)星光通信技術(shù)已基本成熟，并逐漸向商業(yè)化方向發(fā)展，美國(guó)、歐洲、日本等國(guó)家都制定了多項(xiàng)有關(guān)衛(wèi)星激光通信的研究計(jì)劃， 對(duì)衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)所涉及到的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)了全面深入的研究， 在最近幾年衛(wèi)星激光通信就將進(jìn)入實(shí)用化階段。特別是一旦實(shí)現(xiàn)小衛(wèi)星星座之間的激光星間鏈路及其系統(tǒng)成熟， 必將更加促進(jìn)其商業(yè)化發(fā)展。可以預(yù)言，衛(wèi)星激光通信必將成為未來(lái)超大容量衛(wèi)星通信的最主要的途徑。

　　系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)

　　1、系統(tǒng)基本組成

　　為了實(shí)現(xiàn)空間光傳輸與ATP（acquisition tracking pointing）技術(shù)， 通常需要信號(hào)光與信標(biāo)光。一般的衛(wèi)星間光通信系統(tǒng)由以下4 部分組成， 其主要部件如圖1 所示。

　?。?）光天線伺服平臺(tái)

　　包括天線平臺(tái)及伺服機(jī)構(gòu)， 由計(jì)算機(jī)控制。在捕獲階段完成捕獲掃描， 系統(tǒng)處于按預(yù)設(shè)指令工作狀態(tài)， 將光束導(dǎo)引到粗定位接收視場(chǎng)， 從而完成光束捕獲。在跟蹤、定位階段，根據(jù)跟蹤探測(cè)器獲得的誤差信號(hào)， 經(jīng)處理后送到伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 構(gòu)成一個(gè)負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)， 完成精定位。對(duì)于運(yùn)動(dòng)載體上的光通信系統(tǒng)， 為了減小各種擾動(dòng)誤差影響， 還需要增加陀螺控制回路。

　?。?）誤差檢測(cè)器

　　包括光天線及光電探測(cè)器。光電探測(cè)器一般由捕獲探測(cè)器和定位探測(cè)器兩部分組成。捕獲探測(cè)器完成捕獲與粗跟蹤， 并將接收到的光信號(hào)引導(dǎo)到定位探測(cè)器上， 進(jìn)行精定位，最后調(diào)整收發(fā)端， 使光束對(duì)準(zhǔn)。

　?。?）控制計(jì)算機(jī)

　　控制計(jì)算機(jī)包括中心控制處理器與輸入、輸出接口設(shè)備?？刂朴?jì)算機(jī)可以接收衛(wèi)星控制指令， 控制天線伺服平臺(tái)粗對(duì)準(zhǔn)光鏈路的連接方向。捕獲階段可以由預(yù)定的程序控制光束掃描和捕獲。在跟蹤階段， 計(jì)算機(jī)對(duì)誤差信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，并實(shí)時(shí)地輸出信號(hào)控制天線伺服平臺(tái)的粗、精跟蹤， 完成光束的對(duì)準(zhǔn)。

　?。?）光學(xué)平臺(tái)

　　收發(fā)端機(jī)的功能是探測(cè)對(duì)方發(fā)來(lái)的信標(biāo)光， 確定信標(biāo)光方位， 給出誤差信號(hào)使ATP 系統(tǒng)校正接收天線的方位， 完成雙方光天線的粗對(duì)準(zhǔn)。在天線已粗對(duì)準(zhǔn)的情況下， 探測(cè)雙方發(fā)來(lái)的信號(hào)光， 并利用信號(hào)光在4 象限探測(cè)器上的坐標(biāo)， 提供方位誤差信號(hào)給ATP 單元完成雙方天線的精對(duì)準(zhǔn)和跟蹤任務(wù)。探測(cè)對(duì)方發(fā)來(lái)的信號(hào)光， 通過(guò)放大、解調(diào)等電處理， 完成通信任務(wù)。

　　衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)是在自由空間中利用激光作為信息傳輸?shù)妮d體。光束傳播過(guò)程中發(fā)散角很小， 所以光束的對(duì)準(zhǔn)是十分困難， 尤其是作為運(yùn)動(dòng)衛(wèi)星間的光通信， 完成收發(fā)光束的捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)就成為自由空間激光通信最關(guān)鍵的技術(shù)。以上所談系統(tǒng)只是理論分析， 對(duì)實(shí)際應(yīng)用國(guó)內(nèi)還有一段很長(zhǎng)的路要走。

　　2、關(guān)鍵技術(shù)

　　在衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的發(fā)送接收， 以及光束的精對(duì)準(zhǔn)， 通常都需要信標(biāo)光與信號(hào)光來(lái)共同完成。信號(hào)在星間傳輸系統(tǒng)中有以下關(guān)鍵技術(shù)。

　　（1）光信號(hào)的發(fā)射與接收

　　1）高功率光源及高碼率調(diào)制技術(shù)

　　在激光通信系統(tǒng)中大多可以采用半導(dǎo)體激光器或半導(dǎo)體泵浦的YAG 固體激光器作為信標(biāo)光和信號(hào)光的光源， 工作波長(zhǎng)為0.8- 1.5 pm 近紅外波段。通常信標(biāo)光的調(diào)制頻率為幾十赫茲至幾千赫茲或幾千赫茲至幾十千赫茲， 以便克服背景光的干擾。

　　2）高靈敏度抗干擾的光接收技術(shù)

　　在空間光通信系統(tǒng)中， 接收的光信號(hào)通常都很微弱。此外， 在高背景噪聲場(chǎng)（如太陽(yáng)光、月光、星光等）的干擾情況下，又加大了光信號(hào)接收的難度?？焖?、精確捕獲目標(biāo)和接收目標(biāo)信號(hào)就是光、機(jī)、電結(jié)合的精密綜合技術(shù)， 也是空間激光通信的核心技術(shù)之一。一般采用兩種方法削弱這種影響。

　　① 提高接收端機(jī)的靈敏度， 最好達(dá)到nW—pW量級(jí)。

　?、?對(duì)所接收的信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理， 在光信道上采用光窄帶濾波器（ 干涉濾光片或原子濾光器， 但由于通光頻帶較窄，對(duì)存在多普勒效應(yīng)的光波濾光效果存在很大的缺陷） 以抑制背景雜散光的干擾， 在電信道上采用微弱信號(hào)檢測(cè)與處理技術(shù)。

　　3）精密、可靠、高增益的收發(fā)天線

　　為完成系統(tǒng)的雙向互逆跟蹤， 光通信系統(tǒng)均采用收、發(fā)合一的天線。由于半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量一般比較差， 要求天線增益要高， 另外， 為適應(yīng)空間系統(tǒng)， 天線（包括主副鏡、合束、分束濾光片等光學(xué)元件）總體結(jié)構(gòu)要緊湊、輕巧、穩(wěn)定可靠。

　　（2）光束的捕獲、對(duì)準(zhǔn)、與跟蹤

　　1）捕獲、對(duì)準(zhǔn)過(guò)程：分別以A， B 表示需建立光鏈路的兩個(gè)終端

　?、?A 端機(jī)發(fā)出信標(biāo)光， 然后在不確定視場(chǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行掃描。B 端在A 端掃描的同時(shí)采取跳步掃描的方式進(jìn)行掃描，另一幀B 端跳一步， 凝視于另一角度。如果不確定視場(chǎng)不大，而B(niǎo) 端的接收視場(chǎng)等于或大于不確定視場(chǎng)時(shí)， 則B 端不必進(jìn)行掃描， 只處于凝視等待狀態(tài)。A 端信標(biāo)光的光束在掃描過(guò)程中必然會(huì)落在B 端的接收視場(chǎng)內(nèi)， 即B 端必然會(huì)接收到A 端的信標(biāo)光。

　?、?當(dāng)B 端接收到A 端的信標(biāo)光后， B 端探測(cè)器輸出的位置誤差信號(hào)， 經(jīng)處理后送給萬(wàn)向支架控制器， 驅(qū)動(dòng)萬(wàn)向支架轉(zhuǎn)動(dòng)， 從而對(duì)準(zhǔn)A 端。A 端收到B 端的信標(biāo)光， 達(dá)到一定門(mén)限后， 掃描停止。A 端探測(cè)器（CCD）功輸出位置誤差信號(hào)， 經(jīng)處理后送給萬(wàn)向支架控制器， 驅(qū)動(dòng)萬(wàn)向支架轉(zhuǎn)動(dòng)， 進(jìn)一步對(duì)準(zhǔn)B端。

　?、?A 端和B 端進(jìn)一步調(diào)整， 從而達(dá)到捕獲、對(duì)準(zhǔn)的目的。

　　光速的捕捉、對(duì)準(zhǔn)與跟蹤過(guò)程示意圖如圖2 所示：

　　2）目標(biāo)跟蹤

　　跟蹤、瞄準(zhǔn)系統(tǒng)是進(jìn)行精跟蹤， 其功能是在完成了目標(biāo)捕獲后，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行瞄準(zhǔn)和實(shí)時(shí)跟蹤。通常采用4 象限紅外探測(cè)儀QD 或Q- APD 高靈敏度位置傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，并有相應(yīng)電子伺服控制系統(tǒng)。

　 ? 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

　　1、衛(wèi)星激光通信發(fā)展回顧

　?。?）美國(guó)

　　美國(guó)開(kāi)展空間光通信方面的研究最早， 于60 年代中期就開(kāi)始實(shí)施空間光通信方面的研究計(jì)劃。美國(guó)國(guó)家航空和宇航局（NASA）的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）早在70 年代就一直進(jìn)行衛(wèi)星激光通信的研究工作，其它如林肯、貝爾等著名實(shí)驗(yàn)室也都開(kāi)展了空間激光鏈路的研究。近幾年來(lái)，空間激光鏈路研究已成為美國(guó)的研究熱點(diǎn)，這將有助于改變近些年美國(guó)在這一領(lǐng)域的研究落于歐洲甚至日本之后的局面。

　?。?）日本

　　日本是光通信技術(shù)發(fā)展很迅速的國(guó)家， 日本與80 年代中期開(kāi)始空間光通信研究，主要有郵政省的通信研究室（CRL）、宇宙開(kāi)發(fā)事業(yè)團(tuán)（NASDA）和高級(jí)長(zhǎng)途通信研究所（ATR）的光學(xué)及無(wú)線電通信研究室進(jìn)行這方面的工作。ETS- VI 和OICETS 計(jì)劃， 是由他們提出的計(jì)劃，這是兩個(gè)十分引人注目的空間光通信研究計(jì)劃。ETS- VI 計(jì)劃旨在進(jìn)行星地之間的空間光通信實(shí)驗(yàn)， 且已于1995 年7 月成功地在日本的工程試驗(yàn)衛(wèi)星ETS- VI 與地面站之間進(jìn)行了星地鏈路的光通信實(shí)驗(yàn)，這是世界上首次成功進(jìn)行的空間光通信實(shí)驗(yàn)。此舉使日本一躍而居空間光通信研究領(lǐng)域之首位。日本和歐空局還將利用各自研制的、裝于各自衛(wèi)星上的空間光通信終端， 合作進(jìn)行空間光通信系統(tǒng)的空間實(shí)驗(yàn)， 這進(jìn)一步顯示出空間領(lǐng)域逐步走向國(guó)際合作化的趨勢(shì)。

　?。?）歐盟

　　歐洲空間局（ESA）于1977 年夏就開(kāi)展了高數(shù)據(jù)率空間激光鏈路研究，至今歐空局在空間光通信方面已經(jīng)進(jìn)行了二十多年的研究工作。ESA 先后在空間光通信研究方面制定了一系列計(jì)劃，有步驟地開(kāi)展對(duì)空間光通信各項(xiàng)技術(shù)的研究，現(xiàn)已在該領(lǐng)域的一些關(guān)鍵技術(shù)方面處于明顯的領(lǐng)先地位。

　?。?）國(guó)內(nèi)情況

　　不論是美國(guó)、歐洲、還是日本對(duì)衛(wèi)星光通信的研究都已經(jīng)進(jìn)入了空間實(shí)驗(yàn)階段，而且很快就要發(fā)展到實(shí)用階段。我國(guó)衛(wèi)星光通信研究與美、歐、日相比起步較晚， 目前國(guó)內(nèi)只有少數(shù)幾個(gè)單位（ 比如電子科技大學(xué)， 哈爾濱工業(yè)大學(xué)等， 武漢大學(xué)近年來(lái)也參與了衛(wèi)星激光通信方面的研究，并取得了較大成果。） 進(jìn)行衛(wèi)星光通信方面的研究工作， 這些工作涉及到衛(wèi)星光通信的基礎(chǔ)技術(shù)及基本元器件的研究，以及關(guān)鍵技術(shù)的研究但離空間實(shí)驗(yàn)階段還有相當(dāng)一段距離。雖然我國(guó)在這方面的研究與國(guó)外的距離較大，但從現(xiàn)有國(guó)內(nèi)器件及技術(shù)水平看，衛(wèi)星光通信所需的技術(shù)基礎(chǔ)已經(jīng)具備， 這與國(guó)外開(kāi)展衛(wèi)星光通信研究的初期情況不同， 當(dāng)時(shí)衛(wèi)星光通信所需的主要元器件均不成熟，因此， 國(guó)外衛(wèi)星光通信方面的研究工作初期走了不少?gòu)澛贰，F(xiàn)在衛(wèi)星光通信所需元器件已經(jīng)比較成熟，我國(guó)的衛(wèi)星光通信研究只要加大投資力度，一定會(huì)很快在關(guān)鍵技術(shù)方面得到突破，我國(guó)衛(wèi)星光通信研究從開(kāi)始到進(jìn)行星上搭載實(shí)驗(yàn)的時(shí)間也會(huì)大大短于國(guó)外所花費(fèi)的時(shí)間。

　　2、衛(wèi)星激光通信展望

　　近年來(lái)的商業(yè)需求和信息高速公路的發(fā)展， 對(duì)衛(wèi)星間激光鏈路技術(shù)要求更加迫切， 這些已經(jīng)作為美國(guó)、歐洲日本等國(guó)發(fā)展該方面技術(shù)的動(dòng)力， 并正向商業(yè)應(yīng)用轉(zhuǎn)化?，F(xiàn)在空間光通信系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)主要是：

　?。?） 空間光通信系統(tǒng)的應(yīng)用正在向低軌道小衛(wèi)星星座星間激光鏈路發(fā)展；

　?。?）激光星間鏈路用戶終端向小型化、一體化方向發(fā)展；

　　（3）低軌道小衛(wèi)星星座激光鏈路正進(jìn)入商業(yè)化、實(shí)用化發(fā)展階段。在空間光通信研究的前期， 主要是以中繼星為應(yīng)用背景。然而，隨著小衛(wèi)星星座的迅猛發(fā)展，國(guó)外對(duì)第二代中繼星的興趣已經(jīng)下降，對(duì)小衛(wèi)星星座的興趣大大增加。空間光通信研究工作，已經(jīng)開(kāi)始逐漸從以中繼星為主要背景轉(zhuǎn)到以小衛(wèi)星星座為應(yīng)用背景上?？梢灶A(yù)見(jiàn)研究重點(diǎn)將會(huì)逐漸轉(zhuǎn)移到小衛(wèi)星星座星間激光鏈路的研究上?；诖它c(diǎn)， 對(duì)小衛(wèi)星星座星間激光鏈路的研究工作將在空間光通信的研究中占有重要地位。

　　總結(jié)

　　對(duì)衛(wèi)星激光通信關(guān)鍵技術(shù)（ 如信號(hào)收發(fā)、空間目標(biāo)捕獲、對(duì)準(zhǔn)、跟蹤） 的研究在美、歐、日等國(guó)已開(kāi)展了近20 年， 但是前些年由于受到元器件技術(shù)的限制發(fā)展較慢。在上世紀(jì)， 進(jìn)入90年代， 隨著元器件技術(shù)的成熟和發(fā)展而進(jìn)入商業(yè)化發(fā)展階段。特別是小衛(wèi)星星座的迅猛發(fā)展， 使得對(duì)小衛(wèi)星星座的星間光通信更加重視。 利用小衛(wèi)星星間激光通信實(shí)現(xiàn)全球個(gè)人移動(dòng)通信， 已不是遙遠(yuǎn)的事情了。

　　我國(guó)自20 世紀(jì)70 年代開(kāi)始激光通信的研究， 取得了較滿意的結(jié)果。國(guó)內(nèi)若干科研機(jī)構(gòu)開(kāi)展了大氣激光通信方面的學(xué)術(shù)和實(shí)驗(yàn)研究。我國(guó)雖然在此方面的研究工作開(kāi)展較晚，但由于衛(wèi)星光通信的元器件及技術(shù)已成熟， 同時(shí)又有國(guó)外經(jīng)驗(yàn)借鑒， 如抓緊機(jī)會(huì)， 定會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)趕上世界發(fā)達(dá)國(guó)家研究水平。因此， 我國(guó)應(yīng)該盡快投入人力物力， 全面開(kāi)展衛(wèi)星光通信的研究工作。只有這樣， 我國(guó)才能在將來(lái)的全球衛(wèi)星商業(yè)通信中處于領(lǐng)先地位。