空間衛星光通信鏈路關鍵技術與方案的研究

郝志超

【摘要】 光通信是解決低軌衛星與定點衛星間高碼率通信瓶頸的最佳途徑，其中高頻調制時的速率和大功率光源技術是技術中的關鍵。本文分析了空間衛星光通信鏈路的關鍵技術，探討了空間衛星光通信鏈路關鍵技術解決方案，目的在于為空間衛星光通信鏈路關鍵技術的實現提供參考，確保空間衛星間的光通信質量。

【關鍵詞】 空間衛星 光通信鏈路技術 技術方案

空間衛星光通信鏈路主要包含LEO-LEO、LEO-MEO，LEO-GEO以及GEO-LEO。在空間衛星光通信鏈路中，LEO將獲取到的遙感數據，通過GEO中繼站轉到相應的地面空間站，這是星間通信和星地通信。衛星遙感圖像分辨率的提高對衛星數據的傳輸速度有很高的要求，現有的衛星數據傳輸速率不已能滿足信息通過空間衛星鏈路進行大容量交換的工作。

空間衛星光通信能夠有效突破低軌衛星與定點衛星間高碼率通信，但高頻調制速率和大功率光源技術是目前空間衛星光通信鏈路中的關鍵點和難點，為有效實現空間衛星間的光通信，應當提高光源的發射功率和調制碼速率，并采用靈敏度相對高的接收機。

本文分析探討了空間衛星光通信鏈路的關鍵技術，在現有技術的支持下選擇了可行性方案。

一、空間衛星光通信鏈路關鍵技術

捕捉、對準與跟蹤系統、通信系統以及輔助系統組成了空間衛星光通信的整個終端。由于信號光束發散時角度很小，大約10-20μrad，在建立空間衛星通信鏈路過程中，對準與跟蹤技術是空間衛星光通信鏈路的關鍵技術，對準與跟蹤技術的精準度直接影響光通信系統的通信質量。

空間衛星間通行特點主要表現為距離長、碼速率高以及誤碼率低，空間衛星光通信對光通信光源的功率要求也因此而更高，加上對準與跟蹤精度和系統對體積、質量和功率的限制，信號光的波速太小無法滿足通信需要，同時接收天線的限制和光源功率需求的增加也是空間衛星通信鏈路的關鍵技術。

LEO-GEO的通信距離為45000km，通信碼速率為1Gb/s，通信誤碼率為10-7，考慮到衛星的質量和體積的限制，應當選擇孔徑為250mm的天線來實現衛星間的通信。當發射天線效率、接收天線效率、對準與跟蹤指向偏差、鏈路儲備以及接收機靈敏度分別為-3dB、-7 dB、-2dB、1dB和-40dBm時，根據以上公式可以得出，當發射光束發散角為10μrad時，光源發射功率應當達到5.9W；當發射光束發散角為20μrad時，光源發射功率應達到23μrad。

二、空間衛星光通信鏈路尖技術的解決方案

衛星間光通信的波長通常在800nm、1060nm和1550nm三個波段中選擇，在質量、體積和功耗限制下，衛星間通信的激光光源大多數選擇的半導體激光器是800nm和1060nm波段的。目前，對于1550nm波段，隨著光放大器技術越來越成熟，光功率的放大技術也更為成熟。

由于目前相應的800nm波段的衛星光通信波放大器達不到理想的效果，所以需要用更大功率的激光器進行直接和間接綜合調制。然而，激光器功率的增大，對調制帶寬和深度要求也越來越高，同時也對調制電壓提出了更高要求。800nm波段的激光器在單縱模和單橫模方面比1550nm波段的激光器都要差，不宜采用直接的調制方法。

對此，對于800nm波段的調制最好采用間接調制的方式。從通信系統整體來看，一味的想要提高發射端的功率是不現實的，為更好的實現空間衛星光通信，可以提高接收機的靈敏度，將靈敏度改善3dB，或者將光源發射功率降低3dB。但是設計和制造高靈敏度的接收機有很大的工作難度，受目前技術的限制，提高接收機的靈敏度是一項艱難的但又不得不解決的關鍵技術。

三、空間衛星光通信鏈路技術解決方案的對比

從空間衛星光通信鏈路關鍵技術來看，以下兩種方案可以采用：第一，在1550nm波段，可以直接耦合低功率分布反饋式激光器與光纖功率放大器得到碼速率高的發射光源，在接收端加入前置摻鉺光纖放大器來提高接收機的靈敏度。第二，是針對于800nm波段的，調制時利用大功率的激光器進行，同時同樣用波分復用技術降低單路通信碼速率，這樣可以提高接收機的靈敏度。

從激光器性能上看，1550nm波段的分布反饋式激光器可以進行良好的單縱模激光輸出性，且系數相對較小。如果選擇單模尾纖的輸出方式，有利于光束的微弧度量級的準直。多縱模輸出是針對800nm波段的大功率激光器，輸出系數大，使得光束的準直變得困難。從背景光的影響上來看，來自太陽光、地面反射光以及其他星光的背景光對800nm波段的干擾相對比較大。

同等條件下，進入探測器時800nm波段的噪聲比較大；從接收機的靈敏度來看，雖然800nm波段的探測器性能優于長波的探測器性能，但是1550nm波段采用的前置摻鉺光纖放大器，使得接收機的性能大大優于短波時的性能。此外，800nm波段為了降低單路通信碼速率，必須采用復用技術。通過比較分析1550nm波段和800nm波段這兩種解決方案的優缺點，得出1550nm波段的方案更適合空間衛星光通信鏈路之間的高碼速率通信。