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。     

Walker-δ星座轨道间激光链路的稳定性研究

根据walker-δ星座中相邻轨道卫星的相位差,引入轨道间激光链路连接参数K,建立参考卫星固联坐标系中目标卫星运动方程,得到不同轨道卫星之间方位角、俯仰角和距离(AER)的解析表示式.进而求出AER及其变化率极值的数值解.其中相邻轨道卫星的方位角变化率和变化范围都远大于俯仰角,对激光链路稳定性影响较大;方位角最大变化率同最小距离成反比,在极端情况下会超出激光通信终端跟踪范围导致链路中断.综合轨道间激光链路的稳定性和网络拓扑结构的复杂程度,得出相对连接相位为O是激光链路的低轨卫星星座连接配置方式.     

光通信 激光通信

TN927.132006054576恒星背景噪声对星间激光链路跟瞄系统影响的仿真分析=Influences of stellar background noise on tracking andpointing subsystemof intersatellite optical communications[刊,中]/韩琦琦(哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室,光电子技术研究所.黑龙江,哈尔滨(150001)),马晶…//光学技术.—2006,32(3).—444-448根据卫星轨道理论及恒星数据库建立仿真实验系统,对低轨卫星与中继卫星间(LEO-GEO)、中继卫星间(GEO-GEO)、低轨卫星间(LEO-LEO)三种典型的星间激光链路—84—进行了仿真研究,深入分析了恒…     

恒星背景噪声对星间激光链路跟瞄系统影响的仿真分析

在恒星辐照度谱模型的基础上,根据卫星轨道理论及恒星数据库建立仿真实验系统,对低轨卫星与中继卫星间(LEO_GEO)、中继卫星间(GEO_GEO)、低轨卫星间(LEO_LEO)三种典型的星间激光链路进行了仿真研究,深入分析了恒星背景噪声对卫星光通信终端跟瞄子系统的影响规律、背景光功率等特性。仿真结果表明:对于视场较大的LEO终端,恒星进入视场的概率约为7%~10%,而对于视场较小的GEO终端,恒星进入视场的概率仅为0.05%,恒星背景光功率约为10-13~10-11W。该项工作对星间激光链路设计、光通信系统参数优化等工作具有一定指导意义。     

临近空间相干激光通信链路外差效率分析

临近空间相干激光通信链路是天地一体化高速通信网络节点间连接的重要链路。围绕外差效率这一表征大气湍流扰动后信号光和本振光相干合成的指标,推导了非均匀湍流路径上的外差效率理论表达式,并结合大气折射率结构常数廓线,开展了临近空间-地面、临近空间-临近空间和临近空间-低轨卫星三类临近空间相干激光通信链路的外差效率仿真。仿真结果表明:临近空间-低轨卫星链路可以忽略大气对外差效率的影响;如果临近空间-临近空间链路距离大于500km或是临近空间-地面链路天顶角大于60°,外差效率将小于50%,有必要采用自适应光学技术进行补偿。     

基于厄米-高斯光束的单光子捕获理论研究

从光波电磁场方程的TEM10和TEM01模厄米-高斯光束出发,推导了自由空间量子密钥分配的单光子捕获概率表达式.针对低轨卫星-地面站间激光链路,进行了单光子捕获分析.理论研究表明,对于低轨卫星-地面站间量子密钥分配,采用TEM10和TEM01模厄米-高斯型高度衰减激光脉冲作为单光子源是可行的.     

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。     

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。     

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。     

基于量子关联的星间链路技术研究

讨论了基于量子关联的星间链路工作频段,阐明了量子星间链路的体制优势.然后在现有星间链路研究的基础上,推导了量子星间链路的关联度和信号损耗及制备增益间的关系.并讨论了量子星间链路的网络架构.     

光学星间链路技术

通过卫星间直接通信实现数据中继是空间通信技术发展的一个重要方面。光学星间链路与传统的微波链路相比具有重量轻、体积小、功耗低等诸多优点,但在捕获和跟踪等方面也存在着巨大的困难。描述了光学星间链路的系统结构极其关键技术,包括通信收发机、捕获与跟踪、光源与探测器以及空间应用的一些特殊问题。介绍了国际上几个主要研究计划的进展情况,并对光学星间链路的发展前景进行了综述。     

卫星光通信中恒星背景噪声分析及抑制方法研究

建立了以恒星目视星等、等效温度为参数的恒星辐射谱模型,使利用恒星数据库进行背景噪声分析变得更加简捷。在此基础之上,分析了恒星自身特点及卫星光通信终端参数对背景噪声的抑制能力,提出并定义了抑制参数Ψ,以评价卫星光通信系统的抗噪性能;同时考虑背景噪声光功率对卫星光通信的影响,给出了补偿方法;分析结果表明,通过提高CCD采样频率、降低光学系统带宽等方法,可以有效地减少恒星噪点,降低恒星背景光对卫星光通信系统的影响。该项工作为进一步优化卫星光通信系统参数,提高其空间运行的稳定性打下了基础。     

运动状态对卫星多谱段光学特性的影响分析

综合考虑卫星的背景特性、材料特性、结构特性和轨道特性,研究了在轨运行卫星存在的自旋稳定、三轴稳定和"翻滚"三种运动状态对卫星光学特性的影响。基于光辐射理论,结合探测器的性能参数,建立了自旋稳定、三轴稳定和"翻滚"三种运动类型卫星的多谱段光学特性计算的数学模型,并进行了实验验证。以海洋一号卫星和实践二号卫星为例,进行了运动状态对卫星多谱段光学特性影响的仿真分析。仿真结果表明,不同运动状态的卫星多谱段辐射特性存在较大的差异。分析结果可为卫星的探测和辨识提供一定的参考价值。     

FY-2卫星星载扫描辐射计午夜杂散光的分析

“风云二号”(FY-2C)的主要载荷是自旋稳定平台上的多通道扫描辐射计。卫星进入午夜工作时,太阳光线将会入射到辐射计的R-C光学系统中,并且经过各种器件及框架结构反射或者漫反射,从而产生影响成像的杂散光。针对气象部门提供的FY-2C卫星云图中午夜杂散光较严重的情况,分析了特定噪声区域的产生原因,并为同型号卫星星载扫描辐射计的改进提供参考性建议。     

Resources scheduling for data relay satellite with microwave and optical hybrid links based on improved niche genetic algorithm

The formation of the Space-based Information System with the technology of high performance optical inter-satellite communication and the realization of global seamless coverage and mobile terminal accessing are the necessary trend of the development of optical and microwave hybrid communication. Considering the resources, missions and restraints of data relay satellite optical and microwave hybrid links system, a model of hybrid links resources scheduling is established and a scheduling algorithm based on an improved niche genetic algorithm is put forwarded. According to the multi-user-satellite, multi-time-window, multi-class-antenna and a number of missions with priority weight, the scheduling schemes are generated randomly to begin with and evaluated with the fitness functions. To obtain an optimal scheduling result, an improved niche genetic algorithm is adopted to optimize the scheduling schemes. The simulation result reveals that a satisfactory result is obtained and the improved niche genetic algorithm has advantages in both efficiency and performance in a scenario including a relay satellite with 2 optical antennas and 1 microwave antenna for user satellites connection, 8 user satellites with 64 missions. The simulation indicates that the model and the optimization algorithm are suitable for multi-user, multi-mission and multi-class-antenna hybrid communication recourses scheduling problem.     

实时比对法用于卫星星等测量及其精度评估

星等是卫星重要的光学特征之一,为实时、精确得到卫星的星等,在对卫星的探测中,探测系统首先跟踪测量目标卫星,然后对卫星飞过的附近天区的已知恒星进行测量,将CCD输出的卫星与已知恒星的灰度值进行比对得到卫星的星等,并利用同样的方法将两颗已知恒星的灰度值进行对比对该方法用于卫星星等测量精度进行了评估。实验结果表明,实时比对法用于卫星星等测量的精度为0.27星等,是一种有效的卫星星等测量方法。     

空间环境对卫星光通信系统性能的影响分析

分析了空间环境对卫星光通信系统的主要影响因素,包括高能带电粒子辐射、太阳辐射、等离子体辐射等环境。分析结果表明,为了有效减小卫星光通信器件的单粒子翻转率,需要对轨道倾角和轨道高度进行优化设计;为了有效抑制太阳辐射,对日俯仰角需要限制在一个很小的变化范围;增大信号发射功率和减小系统跟瞄误差都是提高卫星光通信系统可靠性的有效途径;对等离子体辐射环境来说,300eV以上的中等能量等离子体会严重干扰卫星的正常工作。     

在轨卫星星等建模与计算

星等的大小代表了星体对于人眼的可观测程度。卫星星等的理论计算对于观测跟踪卫星光学系统设计等具有重要的指导意义。结合天文学、轨道动力学、辐射度学、光度学和计算数学理论,建立了计算人造卫星星等的物理数学模型。计算了卫星的可见光反射能量随轨道运行的瞬时特征,结合人眼的视觉特性,推导出了轨道卫星星等的计算方法,并进一步针对卫星表面为灰体的情况给出了一种计算卫星星等的方法及星下点卫星星等的周期性计算曲线,结果表明:星下点观测的卫星星等随卫星在轨道上位置的变化非常显著,对同一卫星,不同星下点观测到的星等差异仅在日照区就可达5个等级之多。     

三轴稳定GEO卫星漫反射光变特性

利用天文测光方法研究了地球同步轨道卫星可见光波段的反射光变特性.以三轴稳定地球同步轨道通讯卫星为研究样本,进行了可见光波段的光学非高分辨成像观测,并使用天文标准星进行定标.基于相位角序列的测光观测数据表明:在大相位角区域卫星光变曲线分布与漫反射光照数学模型计算结果有很好的一致性,以卫星主体和太阳能电池板的漫反射效应为主;而在小相位角区域与漫反射模型计算结果有明显的差异,为卫星的太阳帆板镜面反射效应影响所致.