基于浮空平臺的星地激光中繼通信系統設計

郎 磊，王荊寧，李小明，楊乾遠，薛松海

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.長春理工大學，吉林 長春 130022；3.中國電子科技集團公司第三十四研究所，廣西 桂林 541004；4.中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引言

空間激光通信傳輸容量大，是未來星間和星地大容量通信的主要手段之一，但衛星激光通信鏈路與地面站之間通信會受到近地大氣環境的影響，難以全天候工作，如能將地面激光通信設備升空至平流層高度，則可避免絕大部分天氣環境、大氣湍流等因素影響，應用前景可期[1-6]。

美國霍普金斯大學擬開展SPARCL計劃，擬采用浮空氣球搭載激光通信載荷中繼接收高軌、低軌衛星下傳的高速數據流，隨后通過系留光纖下傳到地面站，形成衛星-平流層-地面的全光下行傳輸鏈路，受限于平臺成熟度，目前未見實際部署系統報道。在星地、空空激光通信試驗方面，國內哈爾濱工業大學實現了低軌衛星504 Mbps的星地激光通信試驗，中科院上海光機所“墨子號”搭載激光通信載荷完成了5 Gbps的星地激光通信試驗，僅有長春理工大學開展了144 km距離內2.5 Gbps空空激光通信試驗，尚未有星-平流層激光通信試驗報道[7-11]。

1 系統設計

1.1 系統組成

星地激光中繼通信系統如圖1所示，主要包括平流層浮空平臺、通信載荷、地面綜合顯控設施及地面保障設施等。

圖1 星地激光中繼通信系統組成示意圖Fig.1 Schematic diagram of satellite-ground laser relay communication system

下面就系統的指標能力、傳輸體制、激光通信鏈路等進行詳細分析。

1.2 系統體制分析

1.2.1 波段選擇

激光通信常用信號或信標光波長為800 nm，1 310 nm，1 550 nm三個波段，其中1 550 nm由于空間背景光少，探測背景噪聲低，且受益于光纖通信發展，該波段器件成熟度高，本系統采用1 550 nm波段作為星地激光通信鏈路的通信波段，800 nm波段作為信標光波段。

1.2.2 傳輸體制

星地激光通信體制主要由相干通信體制和IM/DD(強度調制/直接探測)體制兩種，相干通信體制接收靈敏度高，并易于實現高階調制，更適宜高速激光通信，星地激光饋電鏈路單波道支持的編碼后發射/接收信號光速率不低于2.5 Gbps，編譯碼方式為7/8 LDPC碼，同時可實現多檔速率可調。

1.2.3 鏈路分析

星地激光中繼通信系統在我國區域對衛星的鏈路通信距離一般不會超過40 000 km。以高軌衛星激光發射功率小于5 W，束散角小于50rad，激光通信設備光學口徑小于250 mm為例進行分析。如表1所示，預期可實現不低于下行21.25 Gbps，上行625 Mbps的激光傳輸速率。

表1 星地激光通信鏈路預算
Tab.1 Link budget of satellite-ground lasercommunications

參數下行上行信號光發射功率/dBm33.941.7發射天線增益/dB108.598.5自由空間損耗/dB-290.2-290.2大氣散射損耗/dB-2-2大氣閃爍損耗/dB-5-5接收天線增益/dB114.1112.2APT適配損耗/dB-1-1接收光功率/dBm-41.7-45.8接收靈敏度/dBm-46.6-50.5安全余量/dB4.94.7

1.3 平臺選擇

常見的浮空平臺如表2所示，可以看出太陽能無人機、平流層飄空氣球承載能力均小于50 kg，由于激光通信載荷重量較大(>100 kg),因此上述兩種浮空平臺均無法搭載，只有平流層飛艇承載能力滿足要求。

表2 浮空平臺特性匯總
Tab.2 Summary of high-altitude aerostat characteristics

特性指標太陽能無人機平流層飛艇平流層飄空氣球載荷重量≥50 kg≥200 kg≥50 kg升空高度≥18 km≥18 km≥18 km滯空時間≤25天≤30天≤7天供電能力<1 kW<2 kW<300 W載荷安裝方式分布式頂部/底部底部

2 浮空激光通信載荷設計

2.1 載荷組成

浮空激光通信載荷是以激光為信息載體，在兩節點間通過激光實現數據傳遞，其信號波束角小、調制速率高，在遠距離、高速通信具有優勢。浮空激光通信載荷主要由光機單元、PAT(指向-捕獲-跟蹤)單元和通信處理單元組成，如圖2所示。

圖2 浮空激光通信載荷組成框圖Fig.2 Block diagram of laser communication payload on high-altitude aerostat

光機單元主要實現激光接收與發射，如圖3所示。

圖3 光機單元外形結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of structure of optical-mechanical unit

激光信號接收時，大口徑光學鏡頭可以提高信號接收面積，保證接收能量。在激光信號發射時，大口徑光學鏡頭可以壓縮發射激光束散角(rad量級)，提高發射時激光能量密度。

系統通過后續光路連接光學鏡頭與激光器、光探測器等元件，采用分光片等進行激光信號的分/合束，實現多光路集成。

PAT單元是激光通信載荷在動平臺工作時的必要單元，由于激光通信束散角很小，對通信雙方光軸對準精度要求極高，因此需通過機械機構對通信光軸進行實時調整，保證平臺運動時通信載荷光軸的實時對準精度。激光通信系統采用粗、精復合跟蹤系統，實現大角度范圍下的高精度跟蹤對準。

通信處理單元主要完成數據信號電光調制、光信號放大，光信號接收、光電轉換與解調等功能。

2.2 載荷安裝設計

2.2.1 安裝位置分析

浮空激光通信載荷安裝位置主要受平臺承載能力、載荷安裝機構是否與平臺剛性連接，平臺對激光鏈路遮擋程度等多個因素影響。

(1) 底部吊裝

圖4為浮空激光通信載荷底部吊裝示意圖，由于吊裝纜繩無法滿足與載荷的剛性連接，鏈路對準過程中無法提供載荷伺服機構轉動時所需的反作用力矩，難以實現鏈路對準，因此底部吊裝方式不可行。

圖4 浮空激光通信載荷底部吊裝示意圖Fig.4 Bottom lifting of laser communication payload on high-altitude aerostat

(2) 頂部安裝

在浮空平臺頂部選取兩個安裝位置進行分析，如圖5所示。經過計算，在平臺俯仰角為0°的情況下，頂部兩個安裝位置所能達到的視場角度分別是134°和171°。頭錐位置安裝時，遮擋比較嚴重的是橫向位置球體頭部，該位置的向上視場角最小只有44°，在平臺俯仰變化時可能會有一定概率不滿足視場角要求。綜合考慮以上因素，最終選擇頂部位置，其視場角為171°。對上視場角最小為81°，考慮最大15°俯仰，最小視場角也能達到66°，超過最低視場角45°的載荷仰角要求。

圖5 浮空激光通信載荷頂部安裝示意圖Fig.5 Top-mounted of laser communication payload on high-altitude aerostat

針對該位置，根據任務載荷重量不同計算囊體結構的強度以及變形情況，如圖6所示。

圖6 浮空激光通信載荷頂部安裝位置應力及形變示意圖Fig.6 Schematic diagram of stress and deformation of top-mounted laser communication payload on high-altitude aerostat

計算結果顯示任務載荷在100 kg以內，最大變形為195 mm，仍在浮空平臺頂部最大承受能力范圍內，若繼續增大載荷重量，浮空平臺囊體將會變形過大無法保形。

2.2.2 安裝結構設計

浮空激光通信載荷光機單元、激光放大器等組件統一安裝在浮空平臺頂部，采用頂部掛架方式進行安裝；激光通信單元安裝在浮空平臺腹部整流罩內，采用底部掛架方式進行安裝。

(1) 安裝掛架設計

頂部掛架主要為浮空激光通信載荷電子設備提供安裝空間，由掛架和設備艙組成，掛架主要是用于與浮空平臺囊體綁扎連接，設備艙用于安裝載荷設備。激光通信載荷光機單元安裝在設備掛架頂部，其余電子設備安裝在掛架內部設備艙，掛架與設備艙采用快卸銷連接，可以快速分離，如圖7所示。

圖7 浮空激光通信載荷頂部安裝示意圖Fig.7 Top-mounted laser communication payload on high-altitude aerostat

頂部掛架采用多梁式結構，骨架主要由縱向梁與橫向梁鉚接而成，梁與框的材料主要是鋁型材；設備艙由鋁型材通過螺栓連接而成，具體掛架結構形式如圖8所示。

圖8 浮空激光通信載荷頂部安裝掛架結構示意圖Fig.8 Top-mounted rack structure of laser communication payload on high-altitude aerostat

掛架安裝方式是在浮空平臺頂部位置把掛架通過囊體綁扎帶與囊體綁扎連接，再把設備艙與掛架連接，同時兩側各拉四根張線，張線采用TS5-500強力繩編結而成。

(2) 載荷線纜布設設計

光機單元與通信處理單元之間用數據線纜和供電線纜連接，供電線纜從浮空平臺底部整流罩內的平臺供電設備中引出，數據線纜從整流罩內的通信處理單元中引出，均沿浮空平臺囊體表面走線槽布設，與頂部光機單元等實現數據、供電連通。

2.3 浮空平臺與衛星間激光對準分析與工作流程

2.3.1 影響激光對準因素分析

浮空平臺是一種緩慢移動的平臺，其運動特性對浮空激光通信載荷與衛星間的激光對準有關鍵性影響，下面從平臺運動特性入手，分析平臺位置變化等對捕獲不確定區域的影響。

(1) 平臺運動特性影響

對于系統設計來說，需要關注的是姿態變化和三軸角速度和角加速度。后續的設計按照姿態變化±15°，角速度不大于5°/s，角加速度不大于5°/s2進行設計。

(2) 平臺位置引起的捕獲不確定區域分析

浮空平臺升空后，位置會根據風速和風向隨機變化，最大位置變化范圍可達公里量級，相對于40 000 km的通信距離，產生的不確定區域誤差小于10rad，相對于衛星掃描不確定區域1.5 mrad，其誤差小于6‰，所以平臺位置變化產生的衛星指向誤差很小，基本不影響掃描捕獲。

2.3.2 浮空激光通信載荷對準流程

由于衛星和浮空激光通信載荷的初始指向均有較大的捕獲不確定區域，且受鏈路距離影響，束散角較小，初始指向時雙方信標光均無法直接覆蓋對方載荷。

浮空激光通信載荷與衛星間采用掃描-凝視捕獲方案[12]。由于高軌衛星平臺穩定性較好，其光軸初始指向精度優于浮空平臺，所以鏈路捕獲模式設計為浮空凝視指向(被動端)與衛星激光掃描(主動端)的模式。具體主要參數如表3所示。

圖9為激光通信設備捕獲跟蹤工作流程。浮空激光通信載荷與衛星對準開始前，首先對組合慣導單元的方位初值進行標定。捕獲跟蹤開始后，首先采用高精度GPS/INS測量浮空平臺位置與姿態，浮空激光載荷與衛星激光載荷相互初始指向；浮空激光載荷凝視，跟蹤相機接收視場覆蓋其指向不確定區域，衛星激光載荷發射信標光在其初始指向不確定區域內進行連續掃描；當衛星激光載荷信標光進入浮空激光載荷粗跟蹤視場后，浮空激光載荷轉入粗跟蹤模式，將衛星激光光斑跟蹤到粗跟蹤視場中心；隨后浮空激光載荷發射信標光即可照射到衛星激光載荷粗跟蹤視場，衛星激光載荷捕獲浮空節點信標光后進行跟蹤，雙方完成鏈路捕獲。

表3 浮空激光通信載荷工作參數
Tab.3 Work parameters of laser communication payload on high-altitude aerostat

參數名稱說明掃描覆蓋區域1.5 mrad,可調掃描方式螺旋掃描掃描重疊區域40%,可調掃描步進停留時間0.5 s,可調默認掃描次數3次,可調

至此浮空激光載荷與衛星的激光鏈路對準過程完成，可以開展系統性能測試，如通信速率、誤碼率測試等。

圖9 浮空激光通信載荷捕獲跟蹤工作流程Fig.9 Flow chart of pat procedure of laser communication payload on high-altitude aerostat

3 結束語

本文設計了基于浮空平臺的星地激光中繼通信系統，受限于平流層平臺成熟度不足，先期對緩慢移動的浮空平臺搭載激光通信載荷與衛星間鏈路對準，激光通信載荷在浮空平臺頂部柔性表面安裝設計可行性等關鍵技術進行驗證；后續將陸續開展平流層平臺星地激光中繼系統大容量微波/毫米波回傳設備研制。平流層平臺載荷環境適應性改進等工作，從根本上消除大氣環境(云、雨、霧、大氣湍流等)對激光通信的影響，解決星地激光通信受大氣環境影響較大，無法全天候工作的難題，提高星地激光饋電鏈路可用度。