衛(wèi)星激光通信技術(shù)詳解

范津銘 王風(fēng)祿 萬戩

摘要：衛(wèi)星激光通信包括深空、同步軌道、低軌道、中軌道衛(wèi)星間的光通信，有GEO（geosynchronous earth orbit，GEO）-GEO，GEO-LEO（low-earth orbit，LEO），LEO-LEO，LEO-地面等多種形式，與此同時，衛(wèi)星和地面站之間的通信也十分重要。隨著元器件的不斷進(jìn)步，衛(wèi)星通信技術(shù)也逐步開拓著其技術(shù)本身的格局，原本僅僅用于軍事領(lǐng)域的衛(wèi)星通信技術(shù)也逐步朝著商業(yè)化的方面運作。由此可以遇見，在不遠(yuǎn)的未來，衛(wèi)星激光通信技術(shù)將會成為全球容量最大、速度最快的衛(wèi)星通信技術(shù)使用方式。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星激光通信;技術(shù)詳解

1 系統(tǒng)基本組成

旨在能夠讓空間逛傳輸和ATP（acquisiTIon tracking poinTIng）技術(shù)能夠得到實現(xiàn)，通常需要對信號光和信標(biāo)光進(jìn)行掌握，通常情況下的衛(wèi)星間光通信系統(tǒng)也包含以下四個技術(shù)范疇：

（1）光天線伺服平臺

它由計算機進(jìn)行控制，首先對信號進(jìn)行先是對信號進(jìn)行捕獲和掃描，系統(tǒng)也會處于初始的工作狀態(tài)，而且將光束大致引導(dǎo)到接收位置，從而完成光束的初步捕獲。在另一方面，在進(jìn)行對信號跟蹤和定位階段的操作的時候，可以用到跟蹤探測設(shè)備，從而能夠讓反饋由開環(huán)變成閉環(huán)反饋系統(tǒng)，這對實現(xiàn)動態(tài)的目標(biāo)定位有著很大的作用。然而，在運動載體上的光通信系統(tǒng)而言，只在能夠讓擾動誤差降到最低，還需要增加陀螺儀來穩(wěn)固反饋回路的穩(wěn)定性。

（2）誤差檢測器

光天線及其光電探測設(shè)備實際上都是誤差檢測設(shè)備，捕獲探測器及其定位探測器皿是光電探測系統(tǒng)的重要組成部分，其中捕獲探測器能夠最先對追蹤物體進(jìn)行最初的探測和跟蹤，從而將跟蹤信號盡快傳輸?shù)蕉ㄎ惶綔y器上，然后跟進(jìn)定位探測器的精準(zhǔn)定位操作，在最后調(diào)整接受和發(fā)送短的位置，讓激光束對準(zhǔn)。這一系列的操作總共進(jìn)行多次反饋，實際上就是為了減少動態(tài)跟蹤下的定位誤差。

（3）控制計算機

計算機包含輸入輸出設(shè)備，通過對衛(wèi)星管控信號的接受，將信號引流到天線控制平臺，從而對光鏈路的鏈接方向進(jìn)行校準(zhǔn)。在捕獲階段通過程序來管控光束的掃描和捕獲;在跟蹤的時候，計算機能夠?qū)φ`差進(jìn)行即時計算，從而能夠讓跟蹤定位不斷調(diào)整。

（4）光學(xué)平臺

在星光通信領(lǐng)域，信號發(fā)送端和信號接收端的作用是能夠?qū)Ρ舜税l(fā)送的信號進(jìn)行探測，然后根據(jù)信號來進(jìn)行對對方的準(zhǔn)確定位。當(dāng)定位出現(xiàn)誤差的時候，ATP能夠?qū)μ炀€的方式進(jìn)行接受，從而完成雙方帶來的信號光，并且定位信號光在第四象限的探測器的坐標(biāo)位置，并且跟進(jìn)對誤差方位的提供，從而讓系統(tǒng)的天線能夠萬恒下一步精準(zhǔn)的對接和跟蹤任務(wù)。探測對方發(fā)來的信號，通過放大器和調(diào)節(jié)器的作用，來完成最終的準(zhǔn)確、及時、高質(zhì)量的通信任務(wù)。

衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)能夠在自由空間中對激光進(jìn)行利用，從而把激光當(dāng)作信息傳輸?shù)妮d體，激光使用的最大作用在于其光束不容易發(fā)散，從而能夠保證信號的穩(wěn)定性和高質(zhì)量。

所以光束的對準(zhǔn)是十分困難，尤其是作為運動衛(wèi)星間的光通信，完成收發(fā)光束的捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)就成為自由空間激光通信最關(guān)鍵的技術(shù)。以上所談系統(tǒng)只是理論分析，對實際應(yīng)用國內(nèi)還有一段很長的路要走。

激光能作為衛(wèi)星光通信技術(shù)的重要載體，是因為其傳播過程中發(fā)散角很小，但這也帶來了問題。激光束的對準(zhǔn)是非常困難的，特別是在天體運動衛(wèi)星當(dāng)中，要想準(zhǔn)確地完成激光束的捕獲、跟蹤與瞄準(zhǔn)更是其為困難的。所以目前以上技術(shù)還只是停留在理論階段并未開始真正應(yīng)用，在這條道路上我國還有很長的道路要走。

2? 關(guān)鍵技術(shù)

為了完成信號的接收與發(fā)送、光束的精確對準(zhǔn)，以下技術(shù)都尤為關(guān)鍵：

（1）光信號的發(fā)射與接收

1）高功率光源及高碼率調(diào)制技術(shù)

為了克服空間當(dāng)中背景光的干擾，通常將信標(biāo)光的頻率調(diào)至10～5000Hz或5000～50000Hz。在激光通信中采用的信號光的光源通常是前文所述的半導(dǎo)體激光器或固體激光器，其工作在近紅外波段，波長大約為0.8～1.5pm。

2）高靈敏度抗干擾的光接收技術(shù)

在空間中由于干擾較多，因此接收到的光信號都很弱，在太陽光、行星光等光源的干擾下更加增大了接收光信號的難度。因此高靈敏度抗干擾的光接受技術(shù)是空間激光通信需要解決的問題，在目前的技術(shù)條件下通常采用以下兩種方式來削弱這種影響：

從接收端入手，提高接收端的靈敏度。

對接收到的信號進(jìn)行有效的處理，采用弱信號檢測技術(shù)。

3）精密、可靠、高增益的收發(fā)天線

為了使系統(tǒng)能夠進(jìn)行雙向通信，因此采用收發(fā)合一的天線，這是從激光束的質(zhì)量方面來考慮。此外，為了保證整個空間系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，天線總體結(jié)構(gòu)要求要輕便、可靠。

（2）光束的捕獲、對準(zhǔn)、與跟蹤

1）捕獲、對準(zhǔn)過程：分別以A，B 表示需建立光鏈路的兩個終端

① A 端機發(fā)出信標(biāo)光，然后在不確定視場范圍內(nèi)進(jìn)行掃描。B 端在A 端掃描的同時采取跳步掃描的方式進(jìn)行掃描，另一幀B 端跳一步，凝視于另一角度。如果不確定視場不大，而B 端的接收視場等于或大于不確定視場時，則B 端不必進(jìn)行掃描，只處于凝視等待狀態(tài)。A 端信標(biāo)光的光束在掃描過程中必然會落在B 端的接收視場內(nèi)，即B 端必然會接收到A 端的信標(biāo)光。

② 當(dāng)B 端接收到A 端的信標(biāo)光后，B 端探測器輸出的位置誤差信號，經(jīng)處理后送給萬向支架控制器，驅(qū)動萬向支架轉(zhuǎn)動，從而對準(zhǔn)A 端。A 端收到B 端的信標(biāo)光，達(dá)到一定門限后，掃描停止。A 端探測器（CCD）功輸出位置誤差信號，經(jīng)處理后送給萬向支架控制器，驅(qū)動萬向支架轉(zhuǎn)動，進(jìn)一步對準(zhǔn)B端。

③ A 端和B 端進(jìn)一步調(diào)整，從而達(dá)到捕獲、對準(zhǔn)的目的。

目標(biāo)跟蹤

在對目標(biāo)進(jìn)行粗定位后，就要進(jìn)行精確跟蹤，采用的是跟蹤、瞄準(zhǔn)系統(tǒng)。在對目標(biāo)進(jìn)行了初步的識別之后，通過精確跟蹤實現(xiàn)對目標(biāo)進(jìn)行實時跟蹤，目前主要使用的是紅外探測儀和前文所述高靈敏度傳感器，并配備有其專用的電子系統(tǒng)。