空間衛(wèi)星光通信鏈路關(guān)鍵技術(shù)與方案的研究

郝志超

【摘要】 光通信是解決低軌衛(wèi)星與定點(diǎn)衛(wèi)星間高碼率通信瓶頸的最佳途徑，其中高頻調(diào)制時(shí)的速率和大功率光源技術(shù)是技術(shù)中的關(guān)鍵。本文分析了空間衛(wèi)星光通信鏈路的關(guān)鍵技術(shù)，探討了空間衛(wèi)星光通信鏈路關(guān)鍵技術(shù)解決方案，目的在于為空間衛(wèi)星光通信鏈路關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供參考，確?？臻g衛(wèi)星間的光通信質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】 空間衛(wèi)星 光通信鏈路技術(shù) 技術(shù)方案

空間衛(wèi)星光通信鏈路主要包含LEO-LEO、LEO-MEO，LEO-GEO以及GEO-LEO。在空間衛(wèi)星光通信鏈路中，LEO將獲取到的遙感數(shù)據(jù)，通過(guò)GEO中繼站轉(zhuǎn)到相應(yīng)的地面空間站，這是星間通信和星地通信。衛(wèi)星遙感圖像分辨率的提高對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的傳輸速度有很高的要求，現(xiàn)有的衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸速率不已能滿足信息通過(guò)空間衛(wèi)星鏈路進(jìn)行大容量交換的工作。

空間衛(wèi)星光通信能夠有效突破低軌衛(wèi)星與定點(diǎn)衛(wèi)星間高碼率通信，但高頻調(diào)制速率和大功率光源技術(shù)是目前空間衛(wèi)星光通信鏈路中的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)，為有效實(shí)現(xiàn)空間衛(wèi)星間的光通信，應(yīng)當(dāng)提高光源的發(fā)射功率和調(diào)制碼速率，并采用靈敏度相對(duì)高的接收機(jī)。

本文分析探討了空間衛(wèi)星光通信鏈路的關(guān)鍵技術(shù)，在現(xiàn)有技術(shù)的支持下選擇了可行性方案。

一、空間衛(wèi)星光通信鏈路關(guān)鍵技術(shù)

捕捉、對(duì)準(zhǔn)與跟蹤系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)組成了空間衛(wèi)星光通信的整個(gè)終端。由于信號(hào)光束發(fā)散時(shí)角度很小，大約10-20μrad，在建立空間衛(wèi)星通信鏈路過(guò)程中，對(duì)準(zhǔn)與跟蹤技術(shù)是空間衛(wèi)星光通信鏈路的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)準(zhǔn)與跟蹤技術(shù)的精準(zhǔn)度直接影響光通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量。

空間衛(wèi)星間通行特點(diǎn)主要表現(xiàn)為距離長(zhǎng)、碼速率高以及誤碼率低，空間衛(wèi)星光通信對(duì)光通信光源的功率要求也因此而更高，加上對(duì)準(zhǔn)與跟蹤精度和系統(tǒng)對(duì)體積、質(zhì)量和功率的限制，信號(hào)光的波速太小無(wú)法滿足通信需要，同時(shí)接收天線的限制和光源功率需求的增加也是空間衛(wèi)星通信鏈路的關(guān)鍵技術(shù)。

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(wèi)星的質(zhì)量和體積的限制，應(yīng)當(dāng)選擇孔徑為250mm的天線來(lái)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星間的通信。當(dāng)發(fā)射天線效率、接收天線效率、對(duì)準(zhǔn)與跟蹤指向偏差、鏈路儲(chǔ)備以及接收機(jī)靈敏度分別為-3dB、-7 dB、-2dB、1dB和-40dBm時(shí)，根據(jù)以上公式可以得出，當(dāng)發(fā)射光束發(fā)散角為10μrad時(shí)，光源發(fā)射功率應(yīng)當(dāng)達(dá)到5.9W；當(dāng)發(fā)射光束發(fā)散角為20μrad時(shí)，光源發(fā)射功率應(yīng)達(dá)到23μrad。

二、空間衛(wèi)星光通信鏈路尖技術(shù)的解決方案

衛(wèi)星間光通信的波長(zhǎng)通常在800nm、1060nm和1550nm三個(gè)波段中選擇，在質(zhì)量、體積和功耗限制下，衛(wèi)星間通信的激光光源大多數(shù)選擇的半導(dǎo)體激光器是800nm和1060nm波段的。目前，對(duì)于1550nm波段，隨著光放大器技術(shù)越來(lái)越成熟，光功率的放大技術(shù)也更為成熟。

由于目前相應(yīng)的800nm波段的衛(wèi)星光通信波放大器達(dá)不到理想的效果，所以需要用更大功率的激光器進(jìn)行直接和間接綜合調(diào)制。然而，激光器功率的增大，對(duì)調(diào)制帶寬和深度要求也越來(lái)越高，同時(shí)也對(duì)調(diào)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(diào)制方法。

對(duì)此，對(duì)于800nm波段的調(diào)制最好采用間接調(diào)制的方式。從通信系統(tǒng)整體來(lái)看，一味的想要提高發(fā)射端的功率是不現(xiàn)實(shí)的，為更好的實(shí)現(xiàn)空間衛(wèi)星光通信，可以提高接收機(jī)的靈敏度，將靈敏度改善3dB，或者將光源發(fā)射功率降低3dB。但是設(shè)計(jì)和制造高靈敏度的接收機(jī)有很大的工作難度，受目前技術(shù)的限制，提高接收機(jī)的靈敏度是一項(xiàng)艱難的但又不得不解決的關(guān)鍵技術(shù)。

三、空間衛(wèi)星光通信鏈路技術(shù)解決方案的對(duì)比

從空間衛(wèi)星光通信鏈路關(guān)鍵技術(shù)來(lái)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(fā)射光源，在接收端加入前置摻鉺光纖放大器來(lái)提高接收機(jī)的靈敏度。第二，是針對(duì)于800nm波段的，調(diào)制時(shí)利用大功率的激光器進(jìn)行，同時(shí)同樣用波分復(fù)用技術(shù)降低單路通信碼速率，這樣可以提高接收機(jī)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(jìn)行良好的單縱模激光輸出性，且系數(shù)相對(duì)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(jí)的準(zhǔn)直。多縱模輸出是針對(duì)800nm波段的大功率激光器，輸出系數(shù)大，使得光束的準(zhǔn)直變得困難。從背景光的影響上來(lái)看，來(lái)自太陽(yáng)光、地面反射光以及其他星光的背景光對(duì)800nm波段的干擾相對(duì)比較大。

同等條件下，進(jìn)入探測(cè)器時(shí)800nm波段的噪聲比較大；從接收機(jī)的靈敏度來(lái)看，雖然800nm波段的探測(cè)器性能優(yōu)于長(zhǎng)波的探測(cè)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(jī)的性能大大優(yōu)于短波時(shí)的性能。此外，800nm波段為了降低單路通信碼速率，必須采用復(fù)用技術(shù)。通過(guò)比較分析1550nm波段和800nm波段這兩種解決方案的優(yōu)缺點(diǎn)，得出1550nm波段的方案更適合空間衛(wèi)星光通信鏈路之間的高碼速率通信。