空間激光通信憑借其速率高、體積小、質(zhì)量輕和功耗低的優(yōu)勢,成為衛(wèi)星間高速通信不可或缺的有效手段,特別在微小衛(wèi)星應(yīng)用場合,更能體現(xiàn)激光通信的優(yōu)勢。文章詳細介紹了微小衛(wèi)星激光通信技術(shù)領(lǐng)域最新的研究進展。在此基礎(chǔ)上,總結(jié)了需要突破的同軌終端輕小型化、異軌終端輕小型化、大氣湍流影響抑制等關(guān)鍵技術(shù),歸納了工程化應(yīng)用、雙工通信、單點對多點、國產(chǎn)化和批產(chǎn)能力 5 個方面的發(fā)展趨勢。 1 引 言
質(zhì)量在 1000 kg 以下的人造衛(wèi)星統(tǒng)稱為“微小衛(wèi)星”。按照質(zhì)量由大到小其又可以進一步劃分為小衛(wèi)星、微衛(wèi)星、納衛(wèi)星、皮衛(wèi)星和飛衛(wèi)星等。該類衛(wèi)星具有研制周期短、成本低的特點。由微小衛(wèi)星構(gòu)成的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò),在遙感、測距、通信等領(lǐng)域均有其優(yōu)勢,尤其在空間信息網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,可以提供具有低延遲,低成本、高速度、高可靠性的衛(wèi)星服務(wù)。微小衛(wèi)星已被視為衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的重要組成。
得益于衛(wèi)星技術(shù)和航天發(fā)射技術(shù)的進步,逐漸具備低軌道微小衛(wèi)星系統(tǒng)的大規(guī)模部署的條件,繼而對星間、星地互聯(lián)互通數(shù)據(jù)傳輸提出了更高的要求,同時微小衛(wèi)星對其載荷尺寸、質(zhì)量、功耗和成本,即 SWPaC(Size, Weight, Power and Cost)4 個方面要求很高??臻g激光通信技術(shù)具有傳輸速率高、體積小、質(zhì)量輕、功耗低、距離遠、保密性好和抗干擾能力強等特點,其中速率高、體積小、質(zhì)量輕和功耗低的特點特別適合應(yīng)用于微小衛(wèi)星平臺,以適應(yīng)高通量衛(wèi)星星座對星間、星地數(shù)據(jù)傳輸需求。因此,微小衛(wèi)星激光通信技術(shù)迎來發(fā)展契機。
微小衛(wèi)星間通過激光通信方式進行互聯(lián)互通,構(gòu)建成激光通信網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)“網(wǎng)狀網(wǎng)” 拓撲結(jié)構(gòu),根據(jù)通信鏈路類型的不同,各節(jié)點激光通信系統(tǒng)的用途、功能組成和技術(shù)參數(shù)也不同。
文章第 2 部分主要圍繞用途、功能組成和技術(shù)參數(shù) 3 個方面總結(jié)微小衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)的最新發(fā)展現(xiàn)狀,第? 3 ?部分總結(jié)微小衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),第 4 部分歸納微小衛(wèi)星激光通信技術(shù)的發(fā)展趨勢。
2 微小衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀
? 衛(wèi)星星座各個衛(wèi)星節(jié)點間的激光鏈路是通過搭載在衛(wèi)星上的激光通信系統(tǒng)互聯(lián)實現(xiàn)的,近年來,典型微小衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)包括美歐日等國的 OCSD、CLICK、VSOTA、FITSAT 和國內(nèi)的行云 T5。此外,商業(yè)化終端也正在形成,包括國外的 OPTEL-μ、Mynaric CONDOR 和 SA photonics Nexus 等。
2.1?OCSD
OCSD 衛(wèi)星是由美國 NASA 和美國航空航天公司聯(lián)合研制的,旨在演示甚小衛(wèi)星通過激光 通信提供高速率數(shù)據(jù)通信的能力,以驗證星地通信。
OCSD-A 星于 2015 年 10 月發(fā)射,試驗衛(wèi)星因姿態(tài)控制系統(tǒng)發(fā)生問題,導(dǎo)致無法對星上的激光通信載荷進行測試。
OCSD-B/C 星于 2017 年 11 月發(fā)射,試驗驗證了衛(wèi)星對地下行 50/100 Mbps 的通信能力。
OCSD-B/C 的主要技術(shù)參數(shù)如表 1 所示。
表?1?? OCSD-B/C 系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)
OCSD 地面站的主要技術(shù)參數(shù)如表 2 所示。
表2? 地面站主要參數(shù)
下行 50 Mbps 和 100 Mbps 的通信結(jié)果如圖 2所示??梢姡跊]有糾錯條件下誤碼率高達 1.0×10?6。
圖2? ?下行通信誤碼率(衛(wèi)星對地)
2.2? ? CLICK-B/C
由美國麻省理工學(xué)院 MIT(Massachusetts Institute ?of ?Technology) 、佛羅里達大學(xué) UF(University of Florida)和美國航空航天局埃姆斯研究中心(NASA Ames Research Center)聯(lián)合研制的CLICK 系統(tǒng),用于驗證星間、星地激光通信。
CLICK-B/C 系統(tǒng)包括光學(xué)和電子學(xué)兩部分, 如圖 3(彩圖見期刊電子版)所示,終端上半部分為光學(xué)系統(tǒng),下半部分電子學(xué)系統(tǒng),外形尺寸為1.5 U(96 mm×96 mm×147 mm)。激光終端采用衛(wèi)星作為粗指向機構(gòu)(Coarse Pointing Assembly,CPA),利用星歷數(shù)據(jù)解算衛(wèi)星開環(huán)粗指向。精指向機構(gòu)(Fine Pointing Assembly,F(xiàn)PA)是快速反射鏡。
CLICK 終端設(shè)計中采用了信標(biāo)光(976 nm)和信號光(1 537/1 563 nm),粗跟信標(biāo)光收發(fā)分立設(shè)計,信標(biāo)光發(fā)散角全角為 22.2 mrad(1/e2),發(fā)射功率為 250 mW,信標(biāo)光接收分為兩部分,分別為粗跟位置解算和精跟位置解算兩個支路。其中:粗跟解算支路使用分立鏡頭 ,型號為 Aptina MT9P031,其通光口徑為 16.1 mm,利用 CMOS 面陣探測器解算光斑位置,信標(biāo)光精跟位置解算支路用四象限探測器作為位置傳感器,與信號光收發(fā)支路共用開普勒 10 倍縮束望遠系統(tǒng),通光口徑為 20 mm,利用微機電快反鏡(MEMS FSM)作為 FPA,空間光縮束后,經(jīng)由近紅外/短波紅外分色片和短波紅外 1 537/1 563 nm分色片共分為 3 個光學(xué)支路,分別是信標(biāo)光精跟位置解算支路,信號光發(fā)射支路和通信支路。在信標(biāo)光精跟支路和信號光通信支路上裝有相應(yīng)譜段的窄帶濾光片。信號光發(fā)散角全角為 120.2 μrad(1/e2),發(fā)射功率為 200 mW。通信支路利用 200 μm 空間靶面 APD 作為探測器。
圖 3? ?(a)CLICK 激光終端布局及(b)原理框圖
CLICK 的主要技術(shù)參數(shù)如表 3 所示。
表 3? ?CLICK 系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)
2.3? ? VSOTA
由日本情報通信研究機構(gòu)(National Institute of ?Information ?and ?Communication ?Technology, NICT)和東北大學(xué)(Tohoku University)聯(lián)合研制的超小型激光發(fā)射模塊,用于驗證星地激光通信。
VSOTA 的組成如圖 4 所示??梢?,VSOTA主要分為 VSOTA-COL和 VSOTA-E 兩部分,其中:VSOTA-COL 包括激光準(zhǔn)直發(fā)射和立方體兩個部分,發(fā)射激光波長分別是 1 540 nm和 980 nm,采用分立光路發(fā)射方案,立方體用于裝星標(biāo)校;VSOTA-E 為激光二極管驅(qū)動電氣部分。依賴衛(wèi)星做 CPA,完成激光的指向功能。
圖 4? ? VSOTA 系統(tǒng)組成
VSOTA 的主要技術(shù)指標(biāo)參數(shù)如表 4 所示。
表 4? ?VSOTA 的主要技術(shù)指標(biāo)
2.4? ? FITSAT-1
日本在 2012 年 10 月,利用國際空間站 ISS(International Space Station)發(fā)射了一顆名為 FIT-SAT-1微納衛(wèi)星,用于試驗星地可見光通信,如圖 5(彩圖見期刊電子版)所示。
該衛(wèi)星上表面(+Z)裝載 50 顆綠 LED 陣列,下表面( -Z) 裝載 32 顆紅 LED 陣列, 發(fā)散角為120°,波長為 520 nm,調(diào)制頻率為 1 kHz,占空比為15% 情況下,綠燈功耗為30 W,紅燈功耗為15 W, 軌道高度為 400 km,通信速率為 1~10 kbps。
圖 5? FITSAT-1 俯視圖和仰視圖
2.5? OPTEL-μ
瑞士 OPTEL 公司研制了 OPTEL-μ 星載終端。該項目啟動于 2010 年,目的是將 LEO 衛(wèi)星上產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以 2.5 Gbps 的速率傳輸?shù)焦鈱W(xué)地面站,遵循輕小型、穩(wěn)定型和多功能的原則,為各種低軌道小衛(wèi)星平臺服務(wù), 其系統(tǒng)組成如圖 6 所示。
圖 6? OPTEL-μ 系統(tǒng)組成
OPTEL-μ 終端由激光單元 LU(Laser Unit)、電氣單元 EU(Electronics Unit)和光學(xué)頭 OH(Op- tical Head)3 部分組成,3 者之間通過導(dǎo)線和光纖連接。
OH 內(nèi)部集成了 CPA、光學(xué)系統(tǒng)和電氣單元3 部分。其中:OH 用于實現(xiàn)激光擴束發(fā)射、激光耦合接收和光束指向等功能;LU 包括激光源、調(diào)制器和放大器,用于生成待發(fā)射光源;EU 包括終端控制器、通信電子電源(TCU)、RF 模塊(RFM)和功率調(diào)節(jié)單元( PCU), 用于完成指向機構(gòu)控制、激光器控制等功能。
OH 具有光束指向功能,可用于鏈路的建立與維持,在保證指向角度范圍和通光口徑的前提下,通過小型化設(shè)計,OH 的質(zhì)量為 4.4 kg,體積為 204 mm×238 mm×226 mm。
OPTEL-μ 終端的主要技術(shù)參數(shù)如表 5 所示。
表 5? ?OPTEL-μ 的主要技術(shù)指標(biāo)
2.6? Mynaric CONDOR
德國 Mynaric 公司的 CONDOR 星載終端如圖 7 所示。CONDOR 用于星間雙向通信,主要包括 CPA、光學(xué)系統(tǒng)和電子學(xué) 3 部分。
圖 7? ?CONDOR 系統(tǒng)組成
系統(tǒng)原理框圖如圖 8 所示。光路組件主要包括望遠鏡、FPA、提前瞄準(zhǔn)機構(gòu)(Pointing Ahead Assembly, PAA) 、窄帶濾光片(BP)?、 分光片(BS)、跟蹤探測器(CTS&FTS)、發(fā)射準(zhǔn)直和接收單元。
圖 8? ? CONDOR 激光終端原理框圖
CONDOR 的主要技術(shù)參數(shù)如表 6 所示。
表 6? ?CONDOR 的主要技術(shù)指標(biāo)
2.7? 行云 LaserFleet T5
2020 年 5 月 12 日,LaserFleet 公司為“行云二號”01 星(武漢號)和“行云二號”02 星研制的物聯(lián)網(wǎng)星間激光通信載荷以“一箭雙星”的方式發(fā)射成功。這是我國首次嘗試低軌衛(wèi)星星間激光鏈路技術(shù)驗證。
LaserFleet 公司首款星間激光通信終端 T5 是搭載在微小衛(wèi)星上的緊湊型激光通信終端。如圖 9 所示。
圖 9? ?LaserFleet 公司的星間激光通信終端 T5 布局
T5 設(shè)計指標(biāo)如表 7 所示。
表 7? T5 主要技術(shù)指標(biāo)
2.8 小 結(jié)
文中提及的 VSOTA、FITSAT、CLICK、OC-SD、OPTEL-μ、CONDOR 和 T5 幾種激光通信終端由于衛(wèi)星平臺能力、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)帶寬、組網(wǎng)方式等不同,相應(yīng)的系統(tǒng)組成也不同,主要區(qū)別體現(xiàn)在光束指向機構(gòu)方案不同。通過表 8 可以看到,為滿足發(fā)射端光束指向要求,第一種方式是依賴微小衛(wèi)星做 CPA,這時激光終端自身帶有 FPA 或者不帶 FPA[13];第二種方式是激光終端自身配有 CPA 和 FPA。另外, 對于通信距離遠的場合(CONDOR 終端),由于通信雙方相對運動會導(dǎo)致發(fā)射對準(zhǔn)難度增加,這種情況下須配有 PAA。
表 8? 激光通信終端光束指向機構(gòu)
3 微小衛(wèi)星激光通信的關(guān)鍵技術(shù)
3.1 星間同軌激光通信終端輕小型化
星間同軌通信場合下,根據(jù)軌道高度和軌道面布置衛(wèi)星數(shù)量的不同,通信距離約為 3 000~6 000 km,依據(jù)衛(wèi)星姿態(tài),光束粗指向范圍小于 5°。為完成星間互通互聯(lián),一顆衛(wèi)星上安裝的終端數(shù)量為2~3 顆,終端質(zhì)量一般小于 8 kg。典型的同軌星間激光通信終端原理框圖如圖 10 所示,發(fā)射接收部分采用光譜分光方案。
圖 10? 典型同軌激光通信終端原理框圖
為了達到輕小化目的,進一步縮小系統(tǒng)規(guī)模, 除了考慮采用高集成度電子學(xué)系統(tǒng)外,還需要進一步優(yōu)化跟瞄機構(gòu)和減少光學(xué)支路的數(shù)量,主要包括兩方面:
(1)CPA?和?FPA?一體化技術(shù)
同軌終端的 CPA 多數(shù)情況下為擺鏡,用以修正初始瞄準(zhǔn)指向偏差和光束的慢速漂移,由于擺鏡位于終端望遠鏡前端,鏡面尺寸大。高分辨率的精跟探測器(FT sensor)為 FPA 提供位置反饋,從而實現(xiàn)高精度快速跟瞄。
從 CPA 優(yōu)化角度出發(fā),在滿足偏轉(zhuǎn)角度的前提下,提高系統(tǒng)諧振頻率,從而獲得更高的系統(tǒng)閉環(huán)帶寬,即使其具有鏡面尺寸大,運動范圍大、諧振頻率高、分辨率高的特點,如何降低系統(tǒng)功耗和質(zhì)量,提高分辨率是關(guān)鍵。
從 FPA 優(yōu)化角度出發(fā),在滿足諧振頻率和分辨率的前提下,提高偏轉(zhuǎn)角度,終端即可獲得更大的光束指向范圍。該類機構(gòu)的要點是如何在保證大偏擺角度的同時獲得高分辨率,同時保證一定的鏡面尺寸,使其滿足光學(xué)縮束和裝調(diào)要求。
(2)位置探測支路和通信支路一體化技術(shù)
對于通信速率要求不高的應(yīng)用場合,將光斑位置探測支路和通信支路合二為一是實現(xiàn)小型化的有效途徑,這樣減少了光學(xué)支路和分光組件。但是該類系統(tǒng)對于探測器響應(yīng)和電子學(xué)處理系統(tǒng)提出了更高的要求。
3.2? 星間異軌激光通信終端輕小型化
星間異軌相比于同軌通信場合復(fù)雜,通信對象可以是同星座的異軌道衛(wèi)星,也可以是不同星座的衛(wèi)星,軌道高度從低軌道到高軌道,通信距離范圍大,約為 3000~36000 km,而終端質(zhì)量受微小衛(wèi)星平臺約束,往往小于 20 kg。典型的異軌星間激光通信終端原理框圖如圖 11 所示。
圖?11????典型異軌激光通信終端原理框圖
異軌終端 CPA 是角度擺動范圍較大的機構(gòu), 如 U 型架、潛望式、大偏擺鏡等,由于通信距離遠,望遠鏡通光口徑偏大,約為 80~200 mm,通信雙端距離遠,便于搜索捕獲,系統(tǒng)中還存在大發(fā)散角的信標(biāo)光(Becon laser)發(fā)射和用于粗跟的信標(biāo)光位置探測單元(CT Sensor)。
為了進一步降低系統(tǒng)規(guī)模,除考慮高集成度電子學(xué)系統(tǒng)外,還需要縮小光機部分的尺寸和重量,主要包括 3 方面:
(1)粗跟精跟探測器一體化技術(shù)
星間異軌終端有 CPA 和 FPA,在圖 11 所示的系統(tǒng)中,CT sensor 為 CPA 提供位置反饋,F(xiàn)T sensor 為 FPA 提供位置反饋,粗精跟探測器一體化設(shè)計,無疑是精簡了位置探測環(huán)節(jié),但是要點在于如何保證捕獲階段大視場和精跟階段的高分辨 需求,如何實現(xiàn)一個位置探測器對應(yīng)粗精跟執(zhí)行結(jié)構(gòu)的運動解耦,如何匹配粗精跟位置反饋不同頻率要求等,以上因素均為其研究要點。
(2)CPA 和望遠鏡一體化設(shè)計技術(shù)
CPA 和望遠鏡在異軌終端結(jié)構(gòu)尺寸中占據(jù)很大比重,保證有效通光口徑,實現(xiàn)二者一體化設(shè)計,是實現(xiàn)輕小型的關(guān)鍵。以折射式望遠鏡和二軸運動機構(gòu)為例,圖 12 給出了兩種一體化設(shè)計思路。該種思路的關(guān)鍵點是光機耦合設(shè)計的同時,還需要保證光學(xué)系統(tǒng)的性能及裝調(diào)可行性。
圖 12? 折射式望遠鏡及兩軸轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計
(3)無信標(biāo)光捕獲技術(shù)
無信標(biāo)光捕獲技術(shù),即利用信號光實現(xiàn)不確定區(qū)域的發(fā)射掃描和利用信號光位置探測支路實現(xiàn)不確定區(qū)域的捕獲:一方面, 利用 CPA 和FPA 在掃描角度和掃描頻率兩方面相互補充,實現(xiàn)高效的區(qū)域掃描;另一方面是實現(xiàn)發(fā)射束散角和接收視場角的實時可調(diào),從而確保雙向捕獲的效率,而發(fā)射束散角往往是幾十微弧度量級,如何保證發(fā)散角調(diào)整過程中,光軸晃動偏差實時修正是無信標(biāo)光捕獲技術(shù)的實現(xiàn)要點。
3.3 星地通信大氣影響抑制技術(shù)
星地激光通信鏈路,大氣會給激光傳輸帶來衰減、閃爍和漂移等影響,出現(xiàn)激光光束質(zhì)量裂化、接收端光功率起伏范圍大、接收光功率衰減增加等現(xiàn)象,導(dǎo)致光學(xué)接收支路調(diào)光困難,退化光斑位置提取處理復(fù)雜,跟瞄精度下降,通信質(zhì)量變差,通信距離減少等問題。當(dāng)前,大氣影響因素是星地激光通信鏈路規(guī)劃、激光通信終端設(shè)計過程中一個無法量化的因素。通過加大接收光學(xué)天線口徑、引入自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)、高階調(diào)制解調(diào)方法、編碼糾錯和光纖章動等技術(shù)手段能一定程度上抑制大氣影響。但不同地域、不同天候以及環(huán)境變化帶來的大氣影響是實時變化的,因此,激光通信大氣影響抑制技術(shù)屬于理論和實踐不斷迭代、不斷深入的一項技術(shù)。
4 發(fā)展趨勢
4.1 太空互聯(lián)網(wǎng)大發(fā)展將加快微小衛(wèi)星激光通信技術(shù)從演示驗證向工程應(yīng)用的步伐
當(dāng)前國內(nèi)外空間信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅猛,據(jù)悉,中國航天科技集團“鴻雁”星座(300 顆)、中國航天科工集團“ 虹云” 星座( 156 顆) 和“ 行云” 星座( 80 顆) 、 中國電子科技集團“ 天地一體化”( 80 顆 ) 等 ;國 外 “ Kuiper” 星 座 ( 3236 顆 ) , “Telesat”星座(298 顆),“Starlink”網(wǎng)絡(luò)(1.2 萬顆)等星座大都由低軌道微小衛(wèi)星組成,大都將激光通信列為其骨干傳輸鏈路方式之一。其中, 截止 2020 年 4 月 22 日,“Starlink”星座在軌衛(wèi)星已經(jīng)達到 422 顆,計劃從 2020 下半年開始發(fā)射裝備有星間激光通信鏈路的衛(wèi)星。
從軍事應(yīng)用角度看,歐美等國家也在加快布置微小衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)。據(jù)美國國防部高級研究計劃局(DARPA)官網(wǎng) 2020 年 5 月 11 日報道,DARPA正在與美國太空軍和太空發(fā)展局合作,計劃于2020 年底和 2021 年將“黑杰克”項目的小衛(wèi)星發(fā)射到低地球軌道,用于驗證衛(wèi)星星座自治和空間網(wǎng)狀網(wǎng)技術(shù)。該星座星間互聯(lián)采用了激光通信技術(shù),激光終端由SA 光子公司提供。
由上可見,太空互聯(lián)網(wǎng)大發(fā)展,軍民兩大應(yīng)用領(lǐng)域都將加快微小衛(wèi)星激光通信技術(shù)的發(fā)展步伐,縮短從演示驗證向工程應(yīng)用的過渡時間。
4.2 終端雙向傳輸能力需求
衛(wèi)星業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)最終要回傳至地面,建立具有中繼數(shù)傳能力的微小衛(wèi)星星座,實現(xiàn)數(shù)據(jù)在星間的中繼傳輸,是實現(xiàn)衛(wèi)星對地下行傳輸行之有效的手段。因此,具有雙向數(shù)傳能力的星載激光通信終端更加適用于微小衛(wèi)星應(yīng)用場合,而收發(fā)速率匹配是實現(xiàn)高效率中繼的保障,因此,激光終端要具有全雙工高速率通信能力。德國 Mynaric 公司的 CONDOR 終端目的即實現(xiàn)星間全雙工 5~10 Gbps 通信。
4.3 單點對多點通信能力需求
隨著激光通信技術(shù)在天基通信網(wǎng)絡(luò)(GEO、 MEO、LEO)中的逐步應(yīng)用,激光通信組網(wǎng)成為未來主要發(fā)展趨勢。然而,受激光發(fā)散角小、動態(tài)接入、空間環(huán)境等影響,當(dāng)前激光通信都是點對點互聯(lián),實現(xiàn)衛(wèi)星組網(wǎng)的,因此,單個衛(wèi)星上需要安裝多臺激光通信終端。受微小衛(wèi)星平臺資源限制,解決上述問題可通過優(yōu)化終端質(zhì)量功耗,達到要求更加嚴(yán)格的 SWaP 水平;研究動態(tài)路由解決接入問題;研究激光終端單點對多點通信能力。對于瞄準(zhǔn)星間組網(wǎng)一點對多點的目標(biāo),美國加利福尼亞大學(xué)研究的 ISOC( Inter-spacecraft Omni- directional Optical Communicator)提供了一種思路,系統(tǒng)中每個單元利用 MEMS 快速反射鏡擺掃可覆蓋±12°的光學(xué)空間錐角,將多個發(fā)射接收單元拼接為陣列球型,可實現(xiàn)全天域空間角度覆蓋(除衛(wèi)星安裝面遮擋外)。ISOC 系統(tǒng)光學(xué)頭布局和實現(xiàn)原理如圖 13( 彩圖見期刊電子版) 所示。系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)如下:通信距離為 200 km,通信速率為 1 Gbps,波長為 850 nm,發(fā)射功率為 1 W。
圖?13????光學(xué)頭布局及原理圖
4.4???整機國產(chǎn)化能力需求
微小衛(wèi)星激光通信終端主要包括瞄準(zhǔn)、跟蹤、光電位置探測和調(diào)制解調(diào)等部分,單元組件包括光學(xué)元件、電機、測角組件、快反、光斑位置解算(CMOS 焦平面探測器、QAPD 等)、通信組件(耐輻照光纖、光纖放大器、直接探測器組件、相干探測組件等)、信號處理組件(FPGA、DSP等),當(dāng)前我國相關(guān)研究機構(gòu)正在開展相關(guān)組件的國產(chǎn)化研究,整機國產(chǎn)化率要求也將從組件國產(chǎn)化發(fā)展為器件國產(chǎn)化。
4.5? 批量生產(chǎn)及低成本能力需求
未來對微小衛(wèi)星激光通信終端的需求量巨大,發(fā)射組網(wǎng)規(guī)劃要求縮短生產(chǎn)周期。綜合考慮以上要求,微小衛(wèi)星激光通信終端研制方應(yīng)在具有批量生產(chǎn)能力的同時降低終端研制成本,保證SWPaC, 最終形成貨架產(chǎn)品 COTS( Commercial Off The Shelf)。
5 結(jié)束語 ? ?
空間激光通信憑借其帶寬大、質(zhì)量小、功耗低等優(yōu)勢,有望成為未來空間高速通信的主要方式,在衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中扮演重要角色。美國、歐洲和日本均已深入研究空間激光通信關(guān)鍵技術(shù),且完成了多項在軌試驗,正走向商業(yè)化運行,微小衛(wèi)星激光通信領(lǐng)域發(fā)展也很迅猛,多項驗證均已開展。我國雖然起步晚,但是近年發(fā)展很快,完成了 LEO-地 、GEO-地 、MEO-地 、MEOMEO、GEO-GEO、空空、空地等多項試驗驗證。
本文以微小衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)為切入點,綜述了其部分發(fā)展現(xiàn)狀,歸納了發(fā)展趨勢,有助于該領(lǐng)域研究人員及時了解發(fā)達國家在微小衛(wèi)星激光通信領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展規(guī)劃,有利于提前做好技術(shù)準(zhǔn)備,使我國空間激光通信技術(shù)穩(wěn)步推進, 讓該技術(shù)助力微小衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展。
本文轉(zhuǎn)載自《中國光學(xué)》2020年第6期,版權(quán)歸《中國光學(xué)》編輯部所有
作者:高世杰,吳佳彬等
審核編輯:黃飛
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