微小衛星激光通信系統發展現狀與趨勢分析

李 靜

（中國鐵塔股份有限公司云南省分公司，云南 昆明 650000）

0 引 言

重量小于1 000 kg的人造衛星被統稱為“微小衛星”，按照由大到小的排序，可以依次劃分為小衛星、微衛星以及納衛星等。衛星研發時間短，且成本低。微小衛星組成衛星網絡，可以實現通信、測距以及遙感等功能，在空間信息網絡領域應用廣泛。微小衛星可以提供低成本、低延遲、高速度服務，因此在衛星互聯網中的價值較高。在衛星技術和航天發射技術支持下，微小衛星系統部署規模擴大。然而在部署規劃時，對星間、星地互聯數據參數要求嚴格，且還會受到微小衛星載荷尺寸、功能消耗以及質量成本的限制影響[1]。當通信鏈路類型不同時，則節點激光通信系統的技術參數與功能用途也不同。

1 微小衛星激光通信系統

1.1 光通信與傳感演示衛星

通過光通信與傳感演示衛星可以演示小衛星激光通信全過程，提供高速率數據通信，驗證星地通信效果。光通信與傳感演示衛星由于姿態控制系統問題，無法測試星上激光通信載荷。在試驗測試中，加強衛星對地下行的通信能力，當無糾錯條件時，誤碼率達到 1.0×10-6。

1.2 CLICK-B/C系統

由美國麻省理工學院、佛羅里達大學、美國航空航天局埃姆斯研究中心聯合研制的CLICK 系統，用于驗證星間、星地激光通信[2]。CLICK-B/C系統包含光學與電子學部分，驗證星間、星地激光通信。其上部分為光學系統，下部分為電子學系統，外形尺寸為96 mm×96 mm×147 mm。激光終端以衛星作為粗指向機構，通過星歷數據求解衛星開環粗指向，精指向機構為快速反射鏡。CLICK-B/C終端設計應用信標光、信號光，粗跟信標光收發分立設計，發射角為22.2°，發射功率為250 mW。信標光接收包括粗跟位置解算、精跟位置解算，前者需要使用分立鏡頭，通光口徑為16.1 mm。利用面陣探測器，求解光斑位置[3]。信標光精跟位置求解，需要使用四象限探測器，將四象限探測器作為位置傳感器，與信號光收發支路，共同使用開普勒10倍縮束望遠系統，通光口徑為20 mm。

1.3 超小型激光發射模塊

超小型激光發射模塊可以驗證星地激光通信。在超小型激光發射模塊體系中，包含VSOTA-COL和VSOTA-E，前者涉及到立體方、激光準直發射部分，發射激光波長為980 nm、1 540 nm。采用分立光路發射方案時，立體方用于裝星標校。后者為激光二極管驅動電氣部分，依賴于衛星系統，能夠實現激光指向功能[4]。

1.4 FITSAT-1

日本通過國際空間站，發射FITSAT微納衛星，驗證星地可見光通信。該衛星表面裝載綠LED（50顆）陣列，下表面安裝紅LED（32顆）陣列，發射角為120°，波長為520 nm，調制頻率為1 kHz，占空比為15%。紅燈功耗為15 W、綠燈功耗為30 W，軌道高度為400 m，通信速率為1～10 kb/s。

1.5 Mynaric CONDOR

CONDOR應用到星間雙向通信中，涉及到電子學、光學系統、CPA理論[5]。光路組件涉及到望遠鏡、提前瞄準機構、窄帶濾光片、跟蹤探測器，發射準直、接收單元。

2 微小衛星激光通信關鍵技術

2.1 星間同軌激光通信終端輕小型化

星間同軌道場合下，按照軌道高度、軌道面衛星數量的不同，可以將通信距離設置為4 000 m。按照衛星狀態，光束粗指向范圍在5°以內。為了確保星間互聯互通效果，衛星安裝終端數量為2～3顆，終端質量小于8 kg。發射接收采用光譜分光方案，為了實現輕小型效果，控制系統規模，不僅要考慮高集成度電子學系統，還需要優化跟瞄機構，控制光學支路數量[6]。同軌終端CPA為擺鏡，可以修正初始瞄準指向偏差、光束慢速漂移。擺鏡設置在終端望遠鏡前端，鏡面尺寸大。精跟探測器分辨率高，可以為FPA提供位置反饋，以此確保跟瞄精度。注重優化CPA，滿足偏轉角度要求，全面提升諧振頻率，獲得系統高閉環帶寬。盡管鏡面尺寸大，運動范圍廣，較高諧振頻率與分辨率高，但是必須降低系統運行功耗，全面提升分辨率。注重優化FPA，滿足諧振頻率、分辨率要求，增加偏轉角度，確保終端獲得高光束指向范圍。機構要點在于增加偏擺角度，獲得高分辨率，維持鏡面尺寸，滿足光學縮束、裝調要求。當應用場合對通信速率要求較低時，融合光斑位置探測支路、通信支路能夠實現小型化設計，減少光學分路、分光組件數量[7]。系統運行過程中，對探測器響應、電子學處理系統提出較高要求。

2.2 星間異軌激光通信終端輕小型化

與同軌通信場合相比，星間異軌復雜，通信對象為同星座、異星座衛星，軌道高度從低軌道到高軌道，通信距離長，可以達到3 000～36 000 km。微小衛星平臺，對終端質量的約束限制大，低于20 kg。異軌終端CPA是大角度擺動機構，通信距離比較遠，望遠鏡通光口徑大，達到140 mm。通信雙端距離遠，便于搜索和捕獲。為了縮小系統規模，不僅要分析高集成度電子學系統，還要縮小光機尺寸與重量[8]。

在星間異軌終端中，包含FPA與CPA。通過CT sensor可以為CPA提供位置反饋。優化設計粗精探測器，可以簡化位置探測步驟，但是需要捕獲大視場，滿足精跟環節分辨率要求。如何對應粗精跟執行結構運動解耦，與粗精跟位置反饋頻率要求匹配，已經成為重點研究問題。在異軌終端結構中，CPA、望遠鏡占比大，確保通信口徑有效性，實現優化設計，促進輕小型化發展。該項技術可以通過信號光掃描不確定區域，借助信號光位置探測支路，捕獲不確定區域[9]。通過CPA、FPA，能夠實現掃描頻率與角度互補，確保區域掃描高效性。實時調節發射束散角、接收視場角，提升雙向捕獲效率。

2.3 星地通信大氣影響抑制技術

針對星地激光通信鏈路，大氣會影響激光傳輸，尤其是漂移、閃爍以及衰減等，會導致激光光束質量裂化，加大接收端光功率起伏度，還會增加接收光功率，加劇光學接收支路調光難度，無法有效提取和處理退化光斑位置。此外，技術應用期間會降低跟瞄精度，影響通信質量，縮短通信距離。在規劃星地激光通信鏈路時，大氣屬于重要影響因素，擴大接收光學天線口徑，合理應用自適應光學技術，能夠對大氣影響產生抑制作用。然而不同地域、不同氣候環境的大氣變化多，所以在應用大氣影響抑制技術時，必須持續進行更新和改進。

3 微小衛星激光通信系統發展趨勢

3.1 衛星演示驗證向工程應用轉變

現階段，國內外空間信息網絡發展速度快，各星族多由低軌道微小衛星組成，并且將激光通信作為骨干傳輸鏈路。太空互聯網發展過程中，軍用與民用都會加快微小衛星激光通信技術發展的速度，縮短演示驗證到工程應用的轉變時間。

3.2 終端雙向傳輸能力需求

衛星業務數據傳輸到地面，建設微小衛星星座，具備中繼數據傳輸能力。在星間傳輸數據信息，確保衛星數據向地下傳輸[10]。星載激光通信終端具備雙向數據傳輸能力，可以應用到微小衛星場合。高度匹配收發速率能夠保障中繼效率，所以激光終端具備全雙工、高速率通信優勢。

3.3 單點對多點通信能力需求

在天基通信網絡中，激光通信技術應用廣泛，激光通信組網成為發展趨勢。但是，受到激光發散角、空間環境以及動態接入影響，激光通信采用點對點互聯方式組建衛星互聯網，單個衛星裝設多個激光通信終端。由于受到微小衛星平臺資源影響，在處理上述問題時必須注重質量功能消耗優化，確保其達到Swap水平。注重動態路研究，處理好接入問題，深入分析激光終端單元中，加強單點對多點通信能力。針對瞄準星間組網，一點對多點目標，可以提供全新思路。在系統發展中，通過快速反射擺掃，可以覆蓋光學空間錐角，拼接多個發射接收單元，形成陣列球型。系統設計指標包括通信距離、通信速率、波長、發射功率等。

3.4 整機國產化能力需求

微小衛星激光通信終端涉及到瞄準、光電位置、跟蹤以及調制解調等。單元組件包含光學元件、測角組件、電機、光斑位置解算，信號處理組件。研究機構注重組件國產化研究，不僅局限在組件國產化，同時表現在器件國產化。

3.5 批量生產與低成本能力需求

在未來發展中，對微小衛星激光通信終端需求量高，發射組網規劃時必須縮短生產周期。深入分析上述要求，科學研制微小衛星激光通信終端，加強批量化生產能力，降低終端研制成本，確保SWP-AC形成貨架產品。

4 結 論

空間激光通信技術功能消耗低、傳輸速率高、質量體積小，能夠有效抵抗干擾影響，滿足高通量衛星星座對星間、星地數據傳輸要求。微小衛星間采用激光通信方式實現互聯互通，建立激光通信網絡，值得推廣應用。