遮光罩對GEO對地激光通信系統可通率影響

周鑫弘，李小明，韓成，張立中，康一丁

（1.長春理工大學　機電工程學院，長春　130022；2.空間光電技術國家地方聯合工程研究中心，長春　130022；3.長春理工大學　計算機科學技術學院，長春　130022；4.長春理工大學　光電工程學院，長春　130022）

遮光罩對GEO對地激光通信系統可通率影響

周鑫弘1，2，李小明2，韓成3，張立中2，康一丁4

（1.長春理工大學機電工程學院，長春130022；2.空間光電技術國家地方聯合工程研究中心，長春130022；3.長春理工大學計算機科學技術學院，長春130022；4.長春理工大學光電工程學院，長春130022）

地球同步衛星（GEO）對地激光通信系統具有通信速率高、保密性好等優勢。但系統的光學天線暴露在星體外部，太陽照射對可通率影響嚴重。針對某GEO對地激光通信系統，不同長度遮光罩對太陽規避造成的可通率及比剛度影響的分析，證明增加遮光罩長度系統可通率提升效果明顯。對現有遮光罩形式進行了分析與總結，簡述工程中遮光罩長度的確定與限定條件，為優化設計GEO激光通信系統遮光罩及提高系統可通率提供技術基礎。

可通率；激光通信；遮光罩；太陽照射

激光通信具有速率高、功耗小、抗干擾能力強等優點，其通信帶寬可以達到幾Gbps甚至幾十Gbps，遠遠高于現在星載平臺常用的微波通信系統，是未來解決衛星高速通信的有效手段［1］。作為中繼通信終端的地球同步軌道衛星（GEO）通信容量巨大，微波通信已經不能滿足實時高速信息傳輸的需求，對激光通信系統需求迫切［2］。星載激光通信系統的主光學天線安裝在星體外部，會受到太陽照射產生的熱效應和背景雜散光的影響，造成系統通信性能下降，甚至永久失效，對系統的壽命和可通率影響嚴重［3］。為了抑制以上影響，星載光學系統一般安裝遮光罩，減少進入的太陽光和天空背景光，遮光罩是影響系統的在軌性能的重要因素之一［4，5］。為了提高GEO激光通信系統的可通率，增強其可用性，有必要根據GEO激光通信系統特點，分析遮光罩對系統可通率的影響，為GEO激光通信遮光罩的設計提供依據。

1 GEO激光通信主光學系統

GEO通信衛星主要與地面站（OGS）或者低軌衛星（LEO）建立通信鏈路，將LEO數據轉發給OGS，解決LEO直接與OGS通信時通信窗口時間短，無法及時將大量數據下傳給OGS的問題。

某GEO激光通信系統的光學子系統由主鏡室、主鏡、次鏡支架、次鏡和中繼光學子系統組成，主鏡材料為碳化硅，采用背部安裝方式安裝在主鏡室內，次鏡材料為微晶玻璃，采用殷鋼材料的次鏡支架支撐。其為長焦、小視場的光學能量系統，接收能量的效率是其主要技術參數。主光學天線前端安裝碳纖維材料的圓筒遮光罩，通光口徑Φ252，如圖1所示。光學子系統安裝在衛星平臺對地面外部。

圖1　GEO激光通信光端機光學系統示意圖

2　光學系統受陽光照射及背景光分析

2.1天空背景光

地球對GEO衛星的張角約為17.4°，遠大于激光通信中的最大視場角（0.23°），所以當與地面站通信時，星載激光通信終端視場內總是充滿地球背景輻射，基本上無太陽光直射和其它點源（如行星、恒等）進入中繼光學系統。其主要外部雜散光為地球背景光，并且只有在光學系統視場內能到達探測器，對通信產生影響。地球背景光分為地球自身的光譜輻照和地球反射的太陽光譜輻射［6］，激光通信系統軌道處的總背景光譜輻照強度為：

其中：

C1=3.7418×108W μm m2為第一輻射常數；C2= 1.4388×104μmK為第二輻射常數；λ為激光波長，通信激光為1.55μm，信標激光為0.8μm；Te=293K為地球黑體等效溫度，r=6400km為地球半徑；h= 36500km為地球同步軌道高度。

其中，Ts=5762K為太陽等效黑體溫度；rs=7× 105km為太陽半徑；1AU=1.58×108km為太陽與地球的平均距離；Re（λ）為地球對太陽光譜反射率。

進入光學系統的輻射能為：

其中，ω=0.23°為終端最大視場角；S0=0.07m2為入瞳面積。

經計算，進入系統的通信光和信標光波段的地球背景輻射強度分別為0.5×10-14W和9.6×10-12W。遠小于接收到信標光和通信光的光功率（0.54× 10-9W和2.7×10-7W）。因此，激光通信系統遮光罩設計時無需考慮對背景光的抑制。

2.2太陽輻射

根據地球同步軌道衛星的軌道特性，太陽南北方向與赤道面夾角在-23.5°～23.5°范圍內隨季節一年變化一個周期，東西方向上隨地球自轉一天變換一個周期［7］。GEO激光通信系統主要對地面站進行通信，其視軸基本指向地面并與地球做同步轉動，所以其視軸與太陽的夾角變化也與地球自轉與公轉的周期一致。

GEO激光通信光端機受地球反照輻射和地球紅外輻射較小，系統接受到的空間外熱流主要是太陽輻射，利用IDEAS分析了圖1所示主光學系統各面在春分、夏至、秋分和冬至時的太陽輻射熱流密度。從分析可知：（1）激光通信系統存在午夜入侵現象，秋分時輻射熱流強度最大，約為1345w/m2；（2）處于運行方向的+/-x面常年交替受到太陽照射；正在受照的+x面或-x面的輻射熱流逐漸減小的同時，作為光學系統元件主鏡、次鏡所處的+z方向受到的太陽輻射逐漸增加；（3）+/-y面分別在冬至、夏至時節受到全周期的太陽輻射，春分、秋分時不受輻射；（4）春分、秋分時節光學系統進入地影區時間最長，約為72分鐘。（5）當太陽與赤道夾角小于8.8°時，激光通信系統受到地球遮擋，無太陽光照射。

太陽光通過遮光罩進入系統后，一方面遮光罩等受照升溫引起光學系統溫度上升，影響光學系統性能，造成通信質量或可通率下降，該影響可以通過優化設計遮光罩并結合主被動熱控予以解決［8］，圖2為某GEO激光通信系統分別采用600mm和1500mm長度遮光罩，在同等受照條件下主鏡溫度變化情況，可見遮光罩長度增加，主鏡最高溫度由約210℃下降為130℃，同時溫度超過溫控指標（25℃）的時段由約1×104s下降為約0.4×104s，可見增加遮光罩長度對改善太陽輻射引起的光學系統溫度上升改善明顯，可以減輕溫控系統的壓力。

圖2　不同長度遮光罩GEO主鏡溫度變化

另一方面，太陽光與系統光軸夾角過小時，陽光會照射到系統光學主鏡，造成主鏡溫度過高或主鏡膜系損傷。主鏡受照時，系統只能中斷通信并轉動視軸方向規避太陽照射。本文的GEO激光通信系統，采用長度600mm遮光罩時，太陽入射角（陽光與天線光軸夾角）小于22.6°時，太陽光會直接照射到光學天線的主鏡上，太陽規避角（陽光與系統光軸夾角小于該角度時必須采取規避措施）為22.6時，GEO（東經77度）對阿里地面站（北緯32°33′57.82″，東經80°09′35.14″，海拔高度5036m）通信，全年共279天需采取太陽規避，占全年總天數的76.4%。系統規避太陽引起的全年不可通信時間約為36330分鐘，全年可通率93%，可見系統的太陽規避對系統的可通率有嚴重的影響。表1為規避角為22.6°時系統規避太陽造成的全年各月不可通時間分析結果。

3　遮光罩長度對太陽規避引起可通率下降的影響

通過增加遮光罩的長度可以有效減小系統的太陽規避角，減少系統太陽規避引起的不可通時間，提高系統可通率，增強GEO激光通信系統的可用性。

遮光罩長度對太陽規避角的影響成簡單的幾何關系，即：

式中，at為太陽規避角，D為主鏡直徑，L為遮光罩長度。

為了綜合考慮太陽光矢量隨地球公轉、自轉的變化、地影遮擋等影響，首先采用STK對全年東經77度GEO對阿里地面站通信時太陽光軸與系統光軸的角度變化進行了仿真。然后結合Matlab軟件對不同長度遮光罩下，系統全年太陽規避造成系統的不可通時間等進行了分析并計算了可通率。

全年可通率=（全年時間—太陽直射時間）/全年時間×100%。

表1　采用600mm遮光罩時系統太陽規避造成的全年不可通時間

圖3　采用400mm遮光罩時系統3月不可通時間

圖4至圖7為不同遮光罩長度下系統全年通信中斷月數、全年不可通天數、全年最長不可通時段、全年不可通時間和全年不可通率變化情況。

圖4　不同長度遮光罩系統全年不可通天數

圖5　不同長度遮光罩系統全年最長不可通時段

圖6　不同長度遮光罩時系統全年不可通時間

圖7　不同長度遮光罩時系統全年不可通率

通過分析可見，隨著遮光罩長度的不斷增加，GEO激光通信系統太陽規避造成的通信中斷對可通率的影響成指數逐漸減小。遮光罩長度由600mm增加到2000mm時，全年通信中斷天數由280天，減小到76天；全年最大通信中斷時段由180分鐘，減小到50分鐘；全年不可通信時間由36330分鐘，減小1003分鐘；全年可通率由93.1%上升到99.8%。

4　增長遮光罩的方法

雖然增加遮光罩長度對系統通信系統性能改善明顯，但隨著長度的增加，遮光罩的固有頻率必然隨之下降。

圖8　不同長度遮光罩時遮光罩比剛度

如圖8為采用碳纖維材料通光孔徑252mm的圓筒形遮光罩（未輕量化）單位重量下的比剛度變化情況。由圖8可見，隨著遮光罩長度的增加，其比剛度快速下降，尤其當長度大1000mm后，比剛度驟然降低。由于衛星發射時對激光通信系統的諧振頻率有較高的要求，在采用傳統遮光罩時，其系統剛度和重量會嚴重限制遮光罩的長度。因此出現了可展遮光罩、內部異形表面遮光罩、增加內部柵板的遮光罩多種改進型遮光罩，以解決外部因素對遮光罩性能的限制。

理論上遮光罩越長效果越好，但可展遮光罩壓縮后的外包絡尺寸受到火箭整流罩的限制，間接限制了可展長度，同時需要滿足發射時系統固有頻率的要求；其次，經過模態分析后遮光罩在收縮與展開狀態下分別對應的固有頻率會受到系統諧振頻率的限制，本文中的可展遮光罩需要滿足 f1≥150Hz（f1為收縮時的一階固有頻率），f2≥50Hz（f2為展開后的一階固有頻率）；展開后的結構主要受到伺服帶寬對結構頻率的要求，使得遮光罩保證一定的剛度；綜上，在設計時要根據任務要求綜合考慮遮光罩的壓縮長度、體積重量以及剛度的參數對遮光罩長度進行綜合優化。

表2　不同遮光罩形式對比

圖9　不同遮光罩形式

由表2可見，幾種形式的遮光罩各有優缺點，骨架展開式遮光罩（圖9（a））折疊后尺寸小，重量輕，展開式后長度大［10］，但其必須采用柔性遮光材料，限制了其內外表面設計的靈活性，同時由于骨架存在鉸鏈結構，因此其結構剛度不易保證；套筒展開式結構（圖9（b）），采用多層嵌套的筒狀遮光罩逐級展開的結構形式［11］，由于各級采用硬質材料遮光罩，其表面可設計性較好，同時各級展開并采取鎖緊措施后結構剛度要優于骨架展開式，但其整體重量、折疊后尺寸較大；內部具有異形表面的遮光罩（圖9（c））可以大大提高照射到內表面上陽光的反射率，將大部分太陽照射能量反射出去，有利于減小系統溫升［12］，但該種遮光罩長度有限，無法改善系統太陽規避等影響；具有內部柵板式的遮光罩（圖9（d））是根據特定使用條件下的光學系統特點設計的新型遮光罩，其在不增加外包絡尺寸的前提下減小系統太陽規避角度效果明顯，可以起到與展開式遮光罩相同的作用，但該遮光罩只適用于特定系統，應用場合有限，同時該種遮光罩尚處于理論研究階段，尚無應用實例，需進一步開展工程化研究。

5　結論

根據某GEO對地激光通信系統的光學天線和軌道參數等指標，對采用不同長度遮光罩時系統可通率變化的分析表明，增加遮光罩長度可以大幅提高可通率，但遮光罩比剛度會嚴重下降，降低遮光罩結構頻率，增加重量。在工程化設計時必須結合具體要求，綜合設計遮光罩長度。對現有遮光罩形式分析表明，各形式遮光罩各有優缺點，需根據實際工程要求具體設計。其中針對GEO對地激光通信系統，具有內部柵板的遮光罩具有明顯的優勢，有必要開展進一步的研究。

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The Influence of Baffle for Available Probability of GEO Laser Communication System

ZHOU Xinhong1，2，LI Xiaoming2，HAN Cheng3，ZHANG Lizhong2，KANG Yiding4
（1.School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.National and Local Joint Engineering Research Center of Space Optoelectronics Technology，Changchun 130022；3.School of Computer Science and Technology，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；4.School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

GEO to ground laser communication is characterized by high speed，security.The optical antenna of GEO laser communication system exposes outside of satellite.Solar radiation unable to avoid，it affects the optical system seriously，reduces available probability.Analyze the effect of these factors for available probability and emphasize analysis the effect of baffle’s length.The results show that，increase the length of baffle can increase the available probability. The paper hood length determination and in the engineering qualification.Then in order to optimize the design of baffle GEO laser communication systems summarizes the baffle structure form，provide support for increase the performance of baffle.

available probability；baffle；laser communication；solar radiation

TN929.13

A

1672-9870（2015）05-0039-05

2015-06-30

國家“863”項目（2013221611009）

周鑫弘（1990-），女，碩士研究生，E-mail：874573364@qq.com

張立中（1968-），男，教授，博士生導師，E-mail：zlzcust@126.com