基于OPNET的星地光网络性能测试仿真平台研究

为了测试星地光网络的性能,设计了一种基于OPNET的星地光网络性能测试仿真平台。介绍了平台的总体技术架构,探讨了星间链路建立的条件。采用最大接入仰角与最长服务时间加权的方式,完成星地链路的卫星接入服务;按照切换呼叫优先的策略完成业务传输中的卫星切换服务,确保星地链路不间断的通信能力。根据最小链路代价和首次命中原则,实现星地光网络的路由与波长的动态分配。最后,利用平台的OPNET软件测试了三种星座下的星地光网络性能,测试结果表明：在LEO、MEO和GEO星座下,星地光网络的网络阻塞率分别为10%、40%和54%,平均网络时延分别为0.1s、0.07s和0.054s。测试结果对星地光网络的工程应用具有一定的指导意义。     

国外地球同步轨道目标天基光学监视策略

空间目标观测策略是决定天基光学监视系统性能的关键因素之一,本文对国外已服役和在研的GEO目标天基光学监视系统及其观测策略进行了讨论。首先,概述了GEO目标天基光学监视技术的发展历程;然后,简要分析了GEO目标的轨道特性,并在此基础上讨论了主流的GEO目标监视策略;最后,针对近年来呈现出的监视系统小型化和自主运行的发展趋势,对SBO载荷与3U CubeSat星座的目标监视性能进行了仿真评估。实验结果表明:SBO载荷和CubeSat卫星均可探测1 m直径的GEO目标,单颗SBO载荷探测GEO目标比例大于51%,观测弧长和重访周期分别约1.2°和1.5天,CubeSat星座则可探测超过90%的GEO目标,平均观测弧长和重访周期分别大于67.1°和小于0.4天。由此可见微小卫星通过组网能实现对GEO目标的独立自主监视。     

基于MEMS光开关的机群系统光互连网络

基于MEMS光开关设计了星型环型混合拓扑的光互连网络,为其开发了具有硬件路由功能的光互连网络控制卡(ONIC),以LAN为控制网络实现了对MEMS光开光的动态配置。提出了影响网络系统整体性能的关键因素,分析并测试了光互连网络的通信性能。环网稳定带宽达51Mb/s,峰值数据传输率可达1Gb/s,且数据量在3Mb以上时,网络整体性能明显提高。     

基于半导体光放大器进行光标签提取的性能分析

利用半导体光放大器增益饱和数学模型,第一次分析了基于单个半导体放大器进行光标签提取的节点性能.通过对半导体光放大器的参量分析和优化,仿真显示,对于标签速率2.5 Gb/ s 、净荷速率40 Gb/s 的光分组包,提取的标签消光比可达到13 dB.     

三轴稳定地球同步轨道卫星帆板季节性闪光现象研究

季节性闪光现象是由三轴稳定地球同步轨道(GEO)卫星保持的特殊对地位置及卫星帆板的运动特点产生的。结合卫星帆板材质的双向反射分布函数及太阳在地球坐标系下的运动规律,分析了帆板季节性闪光现象的原理,定量研究了地面站观测帆板闪光现象的相关规律并进行了仿真验证。研究表明,地面任意地点的望远镜每年都有两个时段能够观测到GEO卫星帆板闪光现象,每次持续约21d,每颗卫星每天的观测时间约32min。该结论不仅能够为观测GEO卫星提供参考,也可为分析卫星工作及运动状态提供依据。     

地表反照光对天基空间目标的成像影响

天基空间目标观测时, 在对空间目标的可见光特性提取的过程中, 随着其姿态的不断变化, 存在太阳光照射不到目标表面、或是在某一特定位置由于目标的强烈反射导致太阳光照度不均匀的情况. 针对这些问题, 分析了在可见光和近红外波段空间目标表面的光照特性, 提出了利用地表反照光作为天基空间目标成像辅助照明光源的思想, 给出了一种精确的建模方法. 基于漫反射模型建立了地表反照光在空间目标表面的照度计算方法, 借助satellite tool kit卫星工具软件获取太阳、目标的坐标, 省去了以往方法中烦琐的矩阵相乘和坐标转换过程; 对任意时刻的地表有效反照区域给出了判断, 引入对地球表面进行网格划分的方法, 对划分后的每一个面元均匀采样, 通过数值积分可计算出整个有效地表反照区域的地表反照辐射. 以某天基成像任务中的太阳同步轨道卫星为例, 就地表反照光对目标的光照情况进行仿真, 计算得出卫星在经过北极上空时可以利用地表反照光作为辅助光源这一重要结论. 仿真结果验证了建模方法的正确性.     

4×10Gb/s OTDM系统中偏振模色散自适应补偿的研究

利用信号偏振度为反馈信号，基于可变步长最大值搜索算法实现了4×10?Gb/s 光时分复用 （OTDM）系统偏振模色散（PMD）自适应跟踪补偿实验.PMD补偿器为偏振控制器加可变时延 线的四自由度结构.最大差分群时延（DGD）补偿量为25?ps，即信号的一个比特周期，补偿 时间小于50?ms. 关键词： 偏振模色散 光时分复用系统 偏振度 自适应补偿     

高速空间激光通信系统在空天信息网中的应用

 针对高速空间激光通信系统应用时面临的主要问题：节点高速运动的跟踪瞄准和与组网载荷协同工作,提出将高速空间激光通信系统作为节点主要通信载荷的双通信载荷结构,并设计了高速空间激光通信系统与组网载荷协同工作机制和协议模型,依据协议模型进行了原理样机开发与试验。试验结果表明,提出的协同工作机制与协议模型能很好地适用于高速空间激光系统,支持超高速率数据传输,最高MAC层协议数据速率可达1.772 Gb/s,平均处理时延20 μs。     

利用非线性光纤环镜160Gb/s到10Gb/s解时分复用

研究了160 Gb/s光时分复用(OTDM)系统的解复用技术.针对160 Gb/s速率的特点,对高非线性光纤(HNLF)的光纤环镜(NOLM)特性及解复用进行了数值仿真.计算了低信号光时间抖动下解复用误码特性对时钟与信号的走离及时钟功率的依赖关系.计算了三种走离值消光比随时钟功率增加的变化趋势并给出:存在一个能获得最大的解复用窗口消光比、并能降低相邻信道串扰的合适的时钟功率范围.利用自制的基于电吸收调制器和压缩技术的超短光脉冲源建立了160 Gb/s OTDM实验系统,测量了不同信号光功率下NOLM的消光比,它基本不随信号增大而变化,在信号功率为7.3 dBm时仍大于23 dB.利用上述装置实现了无误码的160 Gb/s到10 Gb/s全光解复用.     

一种基于级联半导体光放大器环镜的光串并转换器

为了实现高速光信号的降速处理,提出了一种基于级联半导体光放大器环镜(SLALOM)的光串并转换器,用于实现将高速串行光脉冲信号转换成低速并行光脉冲信号.该光串并转换器采用串联SLALOM组成,将前一级SLALOM的输出作为后一级SLALOM的输入;SLALOM之间的光传播时延为输入光信号比特周期;设置控制光与信号光脉冲时序,实现各级SLALOM光脉冲并行输出.通过采用1×10光串并转换器实现将80 Gb/s串行信号转换为10路8 Gb/s并行信号,并对控制、信号脉冲光功率和时间偏移量器件参量进行了优化.对于1×10光串并转换器,端口接收灵敏度差异小于10 dB.该光串并转换器光功率损耗小、易于扩展并行端口数目,可用于光通信领域中的高速解复用、光信号处理和光交换系统中.     

Analysis of Doppler-effeet on satellite constellations with wavelength division multiplexing architectures

With the development of optical space communications, a global space-based optical backbone network is currently proposed by using broadband laser inter-satellite links (ISLs) which enable routing traffic through the space. Satellite optical networking techniques based on wavelength division multiplexing (WDM) ISLs can transit significantly high data rates signals. In this letter, a new function of wavelength excursion due to Doppler-effect is developed for the ISLs, considering the conception of pointing ahead mechanism. The characteristic of wavelength excursion induced by Doppler-effect is examined in one of low earth orbit (LEO) satellite constellation networks named the next-generation LEO system (NeLS) with WDM ISLs assumed, and the influence on its communications caused by wavelength excursion is analyzed.     

Analysis of queuing delay in optical space network on LEO satellite constellations

Low earth orbit (LEO) satellite constellations using laser inter-satellite links (ISLs) are recognized as a promising technology to provide global broadband network services. In this paper, the queuing delay model of an optical space network built on LEO satellite constellations is established. It is assumed that the optical space network employs wavelength division multiplexing ISLs with wavelength routing technology to communication satellites and makes routing decisions. With consideration of the network task characterizations such as distribution of task arrival time and task holding duration, simulation experiment results are analyzed and the expression of optical space network queuing delay is given. Both theoretical analysis and simulation results show that features of queuing delay vary with distribution characterizations of the network tasks. It is hoped that the study can be helpful to evaluate the design of constellation networking.     

Doppler characterization of laser inter-satellite links for optical LEO satellite constellations

Because of ensuring very low propagation delay between satellites, and providing global space-based broadband network services, low earth orbit (LEO) satellite constellations with laser inter-satellite links (ISLs) are considered to be the enabling technology to satisfy the increasing data traffic demand. However, significant Doppler can be observed by the onboard terminals on the ISLs, due to the high relative speed of the two communicating LEO satellites. This paper describes an analytic derivation of the Doppler wavelength shift measured by the terminal onboard a satellite on the signal transmitted through the ISLs. The Point-Ahead Mechanism of the optical ISLs is considered in the analytical expression of the Doppler wavelength shift. Then, in terms of the ISLs characteristics of the satellite constellations, the expression of Doppler wavelength shift is deduced into two aspects. First, for the full time accessing ISLs, it evolves as a function of the constellation parameters. Thus, the Doppler characterization for two kinds of interorbit full time accessing ISLs of LEO satellite constellations is analyzed. Second, for the intermittent accessing ISLs, the expression of Doppler wavelength shift is given as a function of the minimum ISL distance between two communicating satellites. And the visibility duration of the destination satellite at the source satellite is estimated for the intermittent ISLs. This work is helpful to evaluate the design of constellation networking.     

基于泊松分布单光子源的量子误码率的分析

在自由空间量子密钥分配中,单光子源采用具有泊松分布的高度衰减激光脉冲,量子密码术协议采用BB84和B92协议。通过引入量子信道传输率、单光子捕获概率、测量因子和数据筛选因子,建立了量子误码率理论模型,给出了量子误码率的表达式。对于自由空间量子信道,引起量子误码率的主要因素是光学元件、探测器暗噪声和空间光学环境,并对这些因素进行了分析。针对低轨卫星_地面站间链路,进行了量子误码率的数值仿真研究。结果表明,在低轨卫星_地面站间进行量子密钥分配是可行的,限制自由空间量子密钥分配链路距离的主要因素是探测器暗噪声和空间光学环境。     

密集波分复用条件下的光轨网络串扰分析与仿真

光轨网络是一种能够利用成熟的光学器件实现带宽灵活分配和信息交换的新型网络.串扰是限制光轨网络的物理层性能及其扩展性的重要因素.本文讨论了典型的光轨网络节点中异频串扰和同频串扰的产生原因,理论分析了两者对光轨网络的物理层传输性能的影响.给出了3种串扰性能的评价方法.以密集波分复用技术为应用背景,分别搭建了器件隔离度为20dB和30dB的、具有3个节点5个波长且单波长速率为2.5Gbps的光轨网络,仿真了串扰在光轨网络中的传播过程,并计算了光轨网络的误码率、功率代价和相对串扰.理论分析和仿真结果表明:光滤波器、解复用器和复用器是光轨网络中串扰产生的关键器件,且提高器件的隔离度等性能对于提高光轨网络的传输性能会有较显著的效果;在密集波分复用条件下,串扰对单波长速率为2.5Gbps的光轨网络的误码率和功率代价具有显著的影响,从而限制了光轨网络实际可用的节点数目.     

密集波分复用条件下的光轨网络串扰分析与仿真

光轨网络是一种能够利用成熟的光学器件实现带宽灵活分配和信息交换的新型网络.串扰是限制光轨网络的物理层性能及其扩展性的重要因素.本文讨论了典型的光轨网络节点中异频串扰和同频串扰的产生原因,理论分析了两者对光轨网络的物理层传输性能的影响.给出了3种串扰性能的评价方法.以密集波分复用技术为应用背景,分别搭建了器件隔离度为20 dB和30 dB的、具有3个节点5个波长且单波长速率为2.5 Gbps的光轨网络,仿真了串扰在光轨网络中的传播过程,并计算了光轨网络的误码率、功率代价和相对串扰.理论分析和仿真结果表明:光滤波器、解复用器和复用器是光轨网络中串扰产生的关键器件,且提高器件的隔离度等性能对于提高光轨网络的传输性能会有较显著的效果;在密集波分复用条件下,串扰对单波长速率为2.5 Gbps的光轨网络的误码率和功率代价具有显著的影响,从而限制了光轨网络实际可用的节点数目.     

Ground-based complex for checking the optical system

The purpose TUS space experiment is to study cosmic rays of ultrahigh energies produced by extensive air showers from space. The concentrator is located on satellite, made in the form of the Fresnel mirror towards the earth’s atmosphere, the focus of which is a photodetector. The angle of view of the mirror is ±4.5° that for a given height of the orbit corresponds to the area 80 × 80 km² on ground. The ground complex consisting of a number of stations, to check the optical system of the experiment is created, (their location and the amount will be determined after the launch of the satellite based on its actual orbit).     

空间目标天基光学监视平台的参数仿真分析

利用天基光学系统对空间目标进行监视是重要而有效的手段之一。以在轨运行的低轨卫星为研究对象,对天基光学平台的观察方向、升交点赤经和真近点角等参数进行了优化设置。通过分析可知,观察方向指向左和指向右时可以监视更多的目标,升交点赤经选取在0°、270°和315°对空间目标的监视效果较好,而卫星被截获的概率与真近点角的变化关系并不密切,因此真近点角可以任意选取。根据参数优化结果,以卫星仿真工具包STK(Satellite Tool Kit)为平台,对空间目标天基光学监视平台的轨道参数进行了仿真。