一對多激光通信技術在編隊飛行星座中的應用

江倫，李娜，付強，王超，劉壯，李英超，張立中，姜會林

（1.長春理工大學空地激光通信技術國防重點學科實驗室，長春 130022；2.長春獅凱科技產業有限責任公司，長春 130022）

一對多激光通信技術在編隊飛行星座中的應用

江倫1，李娜2，付強1，王超1，劉壯1，李英超1，張立中1，姜會林1

（1.長春理工大學空地激光通信技術國防重點學科實驗室，長春 130022；2.長春獅凱科技產業有限責任公司，長春 130022）

基于旋轉拋物面基底的多反射鏡拼接光學天線，提出一種一對二激光通信組網方案，并對系統工作過程進行了分析，對星間激光通信鏈路進行了功率裕量計算。分析結果表明：一對二激光通信距離達200km，通信速率為2.5Gbps。該方案可為編隊飛行星座內通信組網提供了一種新的技術途徑。

編隊飛行；一對多激光通信；通信網絡

編隊飛行星座是指以某一主星為基準，旁邊有多顆衛星圍繞主星飛行的星群，它們飛行時組成特定的編隊，以分布方式構成一個“虛擬大衛星”［1］，每顆衛星之間通過星間通信相互聯系、協同工作來實現信息采集、處理和有效載荷任務，其實質上構成一個滿足任務需要的規模較大的虛擬傳感器或探測器。與傳統的大衛星相比，編隊飛行星座內衛星具有體積小、研制靈活、發射成本低和抗干擾與抗摧毀能力強等優點［2］。

自上世紀九十年代以來，美國等航天大國非常重視編隊飛行技術，開展了多項編隊飛行衛星計劃。NASA和美國國防部1998年啟動大學納衛星計劃，由10所大學提出5項納衛星編隊飛行計劃，其首顆對地觀測衛星（Earth Observing-1）于2001年11月21日發射，與已在軌的對地觀測衛星進行編隊飛行。此外，美國的“天基雷達監視計劃”基本配置由24顆低軌衛星和三顆備份星組成星座，24顆衛星組網形成8個軌道平面，每一軌道平面上有3顆衛星。我國也在編隊飛行衛星上開展了相關工作，如“實踐五號”，“清華一號”都已成功發射［3］。編隊飛行星座內衛星之間需進行通信以實現星間的信息傳輸與交換。如飛行主星將系統定時、頻標和控制指令、交換信息傳送給編隊飛行子星，編隊飛行子星把子星傳感器采集的信息傳給編隊飛行主衛星。目前編隊飛行星座內衛星之間通信多采用微波通信，如“銥”衛星系統中每顆星均可以和前后2顆以及左右2個軌道面上的4顆衛星進行通信，通信速率為200Mbps，使用的即是微波通信技術。但未來的星間高速數據傳輸需求會越來越高，微波通信由于頻帶受限導致通信速率低、易受電磁干擾等缺點很難滿足要求，激光通信具有高帶寬、高傳輸速率等優點，可有效克服微波傳輸存在的上述問題［3-7］，是編隊飛行星座內通信的最佳技術途徑。

但傳統的激光通信是點對點單一通信模式，星座內衛星之間進行激光通信需要實現一點對多點激光通信，以便在星座內構建空間激光通信網絡。美國2001年提出了“TSAT（transformational satellite communication system）”計劃［8］，其中的激光通信即是一對多，預計通信速率10-40Gbps，日本提出激光與微波通信相結合的雙層低軌道（700和2000公里）全球通信組網方案［9］，其上層采用激光通信，下層微波網方案，但均沒有見到一對多激光通信技術的具體報道。美國Ernest Clarke等人提出一種高軌衛通信衛星與多個低軌用戶星同時進行空間激光通信的方案［10，11］，高軌激光通信載荷采用透射式鏡頭作為激光通信光學天線，視場可實現對低軌用戶星全覆蓋，通過在天線焦平面上移動探測器實現與對應低軌用戶星的通信，未見后續試驗報道。國內姜會林團隊提出以旋轉拋物面為基底的多反射鏡拼接結構作為光學天線的方案［12，13］，并實現了室內“一對二”同時激光通信，通信速率達到2.5Gbps，通信范圍方位為360°，俯仰為38°。

本文針對某編隊飛行星座內高速率通信的需求，分析該編隊飛行衛星鏈路特點，對其進行了鏈路設計，采用新的思路解決該編隊飛行星座內的通信組網難題。

1 編隊飛行星座軌道特性分析

編隊飛行星座為三星星座，分布在兩個同高度、交角很小的軌道上，軌道高度為1000km，衛星A、B在同一軌道上，相對位置固定，衛星C在另一條軌道上，該編隊飛行星座的軌道示意圖如圖1所示，其運動軌跡如圖2所示。衛星A、B與衛星C的運動軌跡有交叉，不同時刻（T1時刻與T2時刻）的運動軌跡平面簡圖如圖3所示，衛星A、B相對衛星C的方位角度最大為±65°，俯仰角度最大為±15°（考慮衛星高度漂移、姿態變化等因素）。

圖1 編隊飛行星座的軌道示意圖

圖2 編隊飛行星座的運動軌道示意圖

圖3 編隊飛行星座的運動平面軌跡簡圖

2 編隊飛行星座星間鏈路組成

多點間激光通信系統主要應用于衛星群間保密、實時通信，其特點是星群整體運動軌跡固定，群內衛星相對位置變化、且間距較近，衛星借助一定的動力條件維持自身編隊位置。衛星群內有三顆衛星，一個中心節點衛星搭載“一對多”主光端機，稱為“主星”。另外兩個衛星搭載從光端機，稱為“輔星”，則可實現三顆衛星的“一對多”激光通信，通信鏈路如圖4所示。

圖4 多衛星間激光通信鏈路示意圖

針對編隊飛行星座，以C為主星，則同軌道衛星A、衛星B為輔星。由于衛星在不停的運動，不同時刻（T1時刻與T2時刻）主星C與輔星A、輔星B的相對位置發生變化，從而需要在動態拓撲結構下建立鏈路。建立的多點激光通信鏈路示意圖如圖5所示。主星C與輔星A、輔星B可同時進行激光通信，且均為雙工通信。

圖5 編隊飛行星座內激光通信鏈路示意圖

3 編隊飛行星座星間通信鏈路設計

3.1 主星激光通信系統方案

根據編隊飛行星座的鏈路特性分析與鏈路通信要求可知，主星激光通信系統需具備“一對二”激光通信的能力，其光學天線采用本文提出的以旋轉拋物面為基底的多反射鏡拼接結構，其總體方案如圖6所示。整個光端機光學系統包含三個分系統，一是光學天線分系統，二是中繼光學分系統，三是后續子光路分系統。根據任務需求，任務確定為1對2通信，所以反射鏡的數量設為兩片，主光端機擬采用“一對二”同時發射一個信標光和通信光的體制，還采用單探測器粗精復合探測技術，盡量減小體積、重量和功耗。

圖6 主星激光通信系統總體方案圖

主光學天線為保證能量接收效率，設計為以拋物面為基底的多反射鏡拼接結構。每一塊反射鏡都由一個APT執行機構所控制，完成目標的穩定跟蹤和通信。不同軌道的信號光束，以不同入射角照射到多反射鏡拼接光學天線上，只有與入射光角度匹配的反射鏡能將光束在后續光學系統視場范圍內以平行光反射到中繼光學系統上，然后經過中繼光學系統縮小了口徑，進入到后續子光路分系統。后續子光路分系統中采用高陡度帶通濾光片，將進入系統中的光進行分離，使得進入各子支路的光既包含800nm波段，又包含1550nm波段，其中800nm波段作為信標光（信標發射、接收），1550nm波段作為高速通信光（通信發射、接收）。主光端機采用廣播式信標光與通信光發射；各支路采用大視場粗跟蹤，配合從光端機大束散角信標光進行雙向捕獲，待捕獲完成，穩定粗跟蹤后，系統發射信標光，從光端機再進行捕獲、粗跟蹤、精跟蹤。最后實現雙向通信。

3.2 系統工作工程

系統工作過程如圖7所示。

圖7 一對多激光通信系統工作流程圖

（1）多點引導指向：借助GPS/INS確定各目標的位置、姿態與運動軌道，調整主光端機的空間坐標。激光通信終端根據通信指令，從休眠狀態進入工作狀態。初步制定通信開始時間、通信持續時間；終端生成與掃描捕獲相關的各種控制參數；完成對各部分初始化工作，如粗跟蹤CCD相機需要設置控制命令參數、GPS測姿定位單元需要提前預熱準備，信標激光器需要提前開啟等。所有分系統和單元需要自檢工作，自檢工作完成后，方可正式進行鏈路通信。

（2）多點捕獲對準：根據多目標的位置、姿態和運動軌道，確定和粗調對應的工作反射鏡，實現捕獲并對準。從光端機啟動粗信標光，此信標光的束散角取決于開環捕獲不確定區域；然后向主光端機發送【捕獲】命令；主光端機收到【捕獲】命令后以當前的慣性空間為中心進行3×3螺旋光柵掃描（從高概率向低概率掃描，減小捕獲時間），直到搜索到對方信標光斑。

（3）粗跟蹤：使工作反射鏡的旋轉能跟上通信目標的運動及振動與姿態變化，跟蹤精度達50μrad左右。如果捕獲成功，主光端機立即停止掃描狀態，進入粗跟蹤狀態，并且保證可靠粗跟蹤，這就實現了主光端機的視軸對準；向從光端機返回捕獲成功標志位，然后主光端機啟動信標光，也實現了從光端機視軸的對準，進而實現雙端光閉環跟蹤。

（4）精跟蹤：利用快速振鏡對跟蹤殘余誤差進一步抑制，精跟蹤精度可達到5μrad。兩個光通信終端在動態條件下實現可靠精跟蹤，并且可靠進入精跟蹤視場，可任意時間啟動精跟蹤。雙端可同時啟動精跟蹤伺服單元，通過精跟蹤單元對粗跟蹤誤差進一步抑制，直到跟蹤精度滿足通信要求為止。

（5）雙向通信：在穩定跟蹤的前提下，實現雙向動態通信。

3.3 通信鏈路功率計算

激光通信鏈路的功率分析是總體方案設計的重要環節。空間激光通信系統的實質也是能量/功率傳輸系統。

鏈路的傳輸方程皆可以用以下的通用表達式描述：

式中：Pr為探測器接收功率；Pt為發射光源的發射功率；Gt為發射光學天線增益；ηot為發射光學單元的效率；Lr為自由空間損耗；ηs為信道引起的功率損失；LAPT為APT對準失配引起的功率損耗；Gr為接收光學天線增益；ηor為接收光學系統效率；ηα為實際束散角與衍射極限角的額外功率損耗。

根據系統通信要求及設計結果，系統鏈路距離為200km，主光端機光學天線口徑為200mm，由兩塊反射鏡組成，反射鏡等效面積為口徑80mm的反射鏡；從光端機口徑為150mm，系統通信速率為2.5Gbps，采用半導體外調制技術和EDFA高功率放大（5W），設計時留有3dB以上的裕量。

由此可見，該系統所確定的參數，在100～200Km可實現速率2.5Gbps、BER=10-7的通信，能夠滿足系統需求。

表1 主光端機發射-從光端機接收功率計算表

表2 從光端機發射-主光端機接收功率計算表

4 結論

未來編隊飛行星座內通信亟需高數據傳輸能力、抗干擾性強的通信，同時要求在星座內實現通信組網。激光通信具有高速數據傳輸與強抗干擾能力，但傳統的激光通信不能實現多點通信組網。本文在分析某編隊飛行星座的軌道特性和通信需求后，基于以旋轉拋物面為基礎的多反射鏡拼接光學天線，提出一種針對該編隊飛行星座的“一對二”激光通信組網方案，對系統工作過程進行了分析，并對星間激光通信鏈路進行了激光功率裕量計算。分析結果表明：該方案可實現編隊飛行星座內“一對二”激光通信，通信距離達200km，通信速率2.5Gbps的技術指標。

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Application of One-point to Multi-point Free Space Laser Communication Technology in Formation Flying Constellation

JIANG Lun1，LI Na2，FU Qiang1，WANG Chao1，LIU Zhuang1，LI Yingchao1，ZHANG Lizhong1，JIANG Huilin1
（1.Fundamental Science on Space-Ground Laser Communication Technolog Laboratory，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.Changchun Shikai Technology Industry Co.LTD，Changchun 130022）

A one point to multi point laser communication network scheme was put forward based on the optical antenna consisted of multi mirrors.And the working processe of the system is analyzed，then the laser communication link between the stars in constellation are analyzed.The analysis results show that the communication rate can reach up to 2.5Gbps，and the communication distance is 200km，which will provide a new technical way for communication network in formation flying constellation.

formation flight；one-point to multi-point laser communication；communication network

TN929.1

A

1672-9870（2016）06-0005-04

2016-09-05

國家自然科學基金（91338116）

江倫（1984-），男，博士，講師，E-mail：jlciomp@163.com