卫星激光通信发展现状与趋势分析(特邀)

卫星激光通信凭借其宽带宽以及无电磁频谱约束等特点,成为解决卫星微波通信带宽瓶颈和缓减卫星频谱资源紧张,实现卫星高速通信的有效手段。本文介绍了卫星激光通信的系统组成及特点,分析了国内外卫星激光通信技术领域的发展脉络、最新研究进展和未来发展规划。结合未来空间网络与深空探测需求,从高速化、深空化、集成化、网络化、全光化五个方面总结了未来发展趋势,并对未来涉及的关键技术进行了讨论,为我国卫星激光通信技术研究提供借鉴和参考。     

水下平台对卫星上行激光通信研究

在合理选择通信系统参量和通信信道参量的基础上,利用Monte Carlo方法模拟了卫星接收到的水下平台上行激光通信信号.分析了卫星接收信号的空间和时间分布特性,以及与望远镜接收视场角的关系,并计算了接收信号的信噪比,得出了3°望远镜视场角和15 μs信号积分时间的优化参量.基于计算结果,根据激光脉冲的PPM调制方式和最大似然检测方法,计算了系统的通信误码率,同时分析了海气界面、云等传输介质对通信的影响.研究结果表明:根据文中给定通信系统参量,在典型海水、海气界面、云等环境条件下,卫星与激光信号中心水平距离5 km范围内信号误码率<10－4.因此位于水下60 m的水下平台可能实现对卫星上行激光通信.     

水下平台对卫星上行激光通信研究

在合理选择通信系统参量和通信信道参量的基础上,利用MonteCarlo方法模拟了卫星接收到的水下平台上行激光通信信号.分析了卫星接收信号的空间和时间分布特性,以及与望远镜接收视场角的关系,并计算了接收信号的信噪比,得出了3°望远镜视场角和15μs信号积分时间的优化参量.基于计算结果,根据激光脉冲的PPM调制方式和最大似然检测方法,计算了系统的通信误码率,同时分析了海气界面、云等传输介质对通信的影响.研究结果表明:根据文中给定通信系统参量,在典型海水、海气界面、云等环境条件下,卫星与激光信号中心水平距离5km范围内信号误码率10-4.因此位于水下60m的水下平台可能实现对卫星上行激光通信.     

激光星间链路终端技术发展与展望北大核心CSCD

激光星间链路主要用于卫星之间高速数传,是构建天基信息网络的关键技术。目前国外通信、遥感、导航和中继等卫星系统都已计划部署激光通信终端,激光星间链路技术已从在轨演示验证向大规模组网应用阶段发展。简要梳理了国际上现有组网卫星系统的激光星间链路终端技术发展情况,对激光星间链路的技术体制和终端分类进行了总结;侧重分析了我国激光星间链路终端技术发展现状及大规模应用面临的主要问题,针对重难点技术的解决途径进行了思考;对激光星间链路终端未来的发展趋势做了展望,尤其是轻小型化设计与实现、宽带化、一对多光学天线和网络化等技术发展趋势进行了分析。     

美国空军TSAT激光通信系统初步达到任务级要求

2007年初，以波音公司为首的联合研制集团首次成功演示了转型卫星（Transformational Satellite，TSAT）激光通信系统以3倍数据率实现大容量通信的能力。     

自由空间光通信APT系统仿真

高精度、宽带宽的激光捕获、对准和跟踪(APT)技术是自由空间激光通信的关键技术。简要的分析了APT系统的工作原理,建立了仿真的数学模型,利用Simulink语言,实现了卫星激光通信中APT过程的动态仿真,在此基础上设计了星际激光通信复合轴APT综合模拟实验系统。由该系统得出的有效抑制带宽为200～300Hz,经过粗、精两环抑制后的振动残差为1.2μrad,通过实验获得的数据与理论分析一致。仿真结果为系统的设计以及系统的可靠性提供了保证,为进一步发展空间激光通信技术提供了理论依据。     

卫星激光通信端机远场模拟及远场测试技术研究

卫星激光通信需要进行端机远场模拟及远场测试技术研究。在室内短距离模拟远场分布的测试系统中,可以采用透镜变换,在透镜焦平面处得到远场分布。实际测试时引入点光源及平面反射镜,保证焦面位置确定的准确性。模拟卫星激光通信端机平行出射光的远场光斑,经实验检测,光斑第一、二、三级暗纹直径与远场光斑理论值比较的相对误差均小于5%。这表明,该方案可以准确模拟和测试端机远场。该研究工作对卫星激光通信捕捉概率的研究、通信研究、光链路功率的实测核准以及端机性能的整体评估有重要意义。     

采用原子滤光器的新型激光信标方案研究

提出了采用法拉第反常色散滤光器（ＦＡＤＯＦ）的光电双反馈激光信标新方案。该方案通过数字控制系统和光反馈系统的共同作用，使激光信标系统的稳定性、抗干扰性和可靠性大大提高，并实现了上电自动工作。这种新型激光信标的频率稳定度优于５×１０－９，在３０ｍｓ内可将半导体激光频率稳定在法拉第反常色散滤光器任一透射峰上。该方案可与采用法拉第反常色散滤光器的新型跟瞄系统匹配使用，对建立卫星激光通信链路有重要意义。     

成像与激光发射系统的共口径设计与实验

将成像光学系统同时用作激光发射天线的共口径设计可有效减轻卫星载荷质量和应对各种突发状况。首先根据激光通信的能量计算链路,分析了激光发射天线的设计要求,明确了激光发射天线与成像光学系统的不同;然后根据特定的成像光学系统给出了3种具有普适性的共口径设计方法,并对这3种方法的性能进行了分析和比较,给出了它们的优缺点和适用范围;最后对所设计的共口径系统进行了发射光束仿真,经过对设计系统加工、装调后进行了室内的成像、通信实验,结果显示发射激光的最小束散角可达18.2 μrad,接近系统衍射极限,出射光斑质量良好,接收到的图像与成像系统所成图像肉眼观测无失配。初步证实该共口径设计可实现光学系统的成像和通信任务要求。     

空间激光通信及其关键技术

通信领域中激光通信技术由于自身的优越性得到了广泛的应用。通过将空间激光通信与微波通信比较，介绍空间激光通信的优点：大容量、低功耗及体积小、质量轻等。叙述空间激光通信的基本原理。重点阐述空间激光通信系统大功率光源技术、高灵敏度抗干扰光信号接收技术、通信链路的快速及精确的捕获、跟踪和瞄准技术等关键技术。激光通信可广泛应用于军事、经济等各个领域，必将有广阔的发展前景。     

高精度千赫兹流动激光测距系统中国西部地区实测结果分析

为了解决人造卫星激光测距观测站在我国东西部地区分布不均衡的现状,中国地震局地震研究所采用方便运输的载车结构和皮秒级千赫兹半导体激光器,结合自行研制的皮秒级事件计数器和纳秒级距离门,研制了新一代的大口径流动卫星激光测距系统TROS1000.TROS1000具备千赫兹流动激光测距的能力,并且具有机动灵活、架设周期短等特点.2019年9月,TROS1000抵达中国科学院新疆天文台南山观测站,在我国西部地区首次获取千赫兹激光观测数据.经过数据预处理,中低轨卫星的单次精度优于14 mm,高轨卫星的单次精度优于19 mm,与上一代流动激光测距系统相比,其单次精度更高,有效回波信号更多,目标探测能力更强.     

PN1B微小卫星激光反射器设计及激光测距试验

大气密度探测实验卫星PN1B于2015年9月在太原卫星发射中心成功发射,为了实现对该卫星星载GPS定轨数据提供检核标准及高精度测轨应用要求,依据卫星无法提供阵列结构激光反射器所需要的安装面积的限制,首次采用通光口径为10 mm的微小激光反射器按照不同的指向分布在卫星的棱边。利用TROS1000流动人卫激光测距系统对该卫星进行追踪和激光测距试验,测量结果表明激光回波数据充足,每秒平均激光回波光子数达173个,标志着此类微小激光反射器的应用将会在卫星轨道精密定轨方面发挥重要作用。     

星载激光测高系统大气折射延迟的影响分析

星载激光测高系统发出的测距光束经过大气层时会发生折射,由此产生的与大气延迟相关的测距误差在数米量级。讨论了激光测高系统大气延迟修正理论及实现算法,通过使用沿天顶方向的大气传输延迟值与非天顶方向相应映射函数乘积的方法来计算大气延迟,并对影响大气延迟主要气象参数地表气压进行修正。结合全球首个对地观测星载激光测高系统GLAS测量数据和美国国家环境预报中心NCEP气象数据进行大气延迟修正,并与GLAS系统公布延迟数据对比。结果表明:大气干项延迟偏差小于2 cm,湿项延迟偏差小于1 mm。     

激光测距卫星的点扩展函数研究

本文将非相干成象系统的点扩展函数概念引入到激光测距系统,详细推导出激光测距卫星的点扩展函数的基本形式,并分别计算了Lageos和ERS卫星的点扩展函数以及脉冲和点扩展函数作用后的强度分布,取得了非常好的结果.     

圆扫描变像管人卫激光测距技术研究

在本文中,我们设计并研制了用于毫米级精度人卫激光测距的圆扫描时间分析系统。研制的圆扫描变像管理论时间分辨率可优于3ps,可用于双色测距;偏转灵敏度高达10cm/kV,偏转空间分辨率优于24lp/mm;利用双MCP内增强,增益～1×10⁶,并有门控功能以进一步提高信噪比和动态范围。扫描控制电路能提供300MHz、10W的正弦信号,其频率、幅度、相位稳定度均可满足要求。调试过程中较好地解决了阻抗变换、空间干扰和相位正交等关键问题。在仅2W的RF功率驱动下,即可实现稳定的φ24mm的圆扫描,系统实测时间分辨率达4.8ps。在实验室实测测距精度达亚毫米级。动态实验及模拟测距表明,该时间分析系统可满足第四代人卫激光测距系统的需要。     

基于激光外差技术的高分辨率整层大气透过率测量

激光外差技术是一种高灵敏度的光谱探测技术,利用该技术研制的装置易于集成化小型化,可以进行地基或星载的地球大气或天文观测。基于激光外差光谱测量技术,结合自研的太阳跟踪仪建立了一套高分辨率整层大气透过率测量系统,系统分辨率约为0.006 cm-1。该系统利用太阳光和红外激光在非线性探测器中进行光学混频,通过对获取的混频信号进行电子学滤波和平方率探测,获得了高光谱分辨率的外差信号。采用Langley-plot定标法对测量系统进行定标,获取了仪器标定常数和对应的大气总光学厚度,实现了中红外波段整层大气透过率的实时测量。同时,将实测整层大气透过率与MODTRAN5.0软件仿真计算的结果进行对比分析,两者的一致性较好。分析表明该测量系统具有很高的分辨率并且性能稳定可靠,在大气科学、天文观测和激光大气传输等研究领域具有广阔的应用前景。     

激光测距卫星的质心改正模型

卫星质心改正值(简称CoM,Center-of-Mass)是卫星激光测距系统中的一个重要参量,准确估算该参量有助于提高卫星激光测距精度.本文以Lageos卫星为例,应用概率理论以及卫星上的角反射器对光子的反射概率与反射器的光学截面成正比,建立了球形激光卫星的CoM数学模型,并计算了几颗球形卫星的CoM值,还对一般的情况进行了讨论.