衛星激光通信技術詳解

范津銘 王風祿 萬戩

摘要：衛星激光通信包括深空、同步軌道、低軌道、中軌道衛星間的光通信，有GEO（geosynchronous earth orbit，GEO）-GEO，GEO-LEO（low-earth orbit，LEO），LEO-LEO，LEO-地面等多種形式，與此同時，衛星和地面站之間的通信也十分重要。隨著元器件的不斷進步，衛星通信技術也逐步開拓著其技術本身的格局，原本僅僅用于軍事領域的衛星通信技術也逐步朝著商業化的方面運作。由此可以遇見，在不遠的未來，衛星激光通信技術將會成為全球容量最大、速度最快的衛星通信技術使用方式。

關鍵詞：衛星激光通信;技術詳解

1 系統基本組成

旨在能夠讓空間逛傳輸和ATP（acquisiTIon tracking poinTIng）技術能夠得到實現，通常需要對信號光和信標光進行掌握，通常情況下的衛星間光通信系統也包含以下四個技術范疇：

（1）光天線伺服平臺

它由計算機進行控制，首先對信號進行先是對信號進行捕獲和掃描，系統也會處于初始的工作狀態，而且將光束大致引導到接收位置，從而完成光束的初步捕獲。在另一方面，在進行對信號跟蹤和定位階段的操作的時候，可以用到跟蹤探測設備，從而能夠讓反饋由開環變成閉環反饋系統，這對實現動態的目標定位有著很大的作用。然而，在運動載體上的光通信系統而言，只在能夠讓擾動誤差降到最低，還需要增加陀螺儀來穩固反饋回路的穩定性。

（2）誤差檢測器

光天線及其光電探測設備實際上都是誤差檢測設備，捕獲探測器及其定位探測器皿是光電探測系統的重要組成部分，其中捕獲探測器能夠最先對追蹤物體進行最初的探測和跟蹤，從而將跟蹤信號盡快傳輸到定位探測器上，然后跟進定位探測器的精準定位操作，在最后調整接受和發送短的位置，讓激光束對準。這一系列的操作總共進行多次反饋，實際上就是為了減少動態跟蹤下的定位誤差。

（3）控制計算機

計算機包含輸入輸出設備，通過對衛星管控信號的接受，將信號引流到天線控制平臺，從而對光鏈路的鏈接方向進行校準。在捕獲階段通過程序來管控光束的掃描和捕獲;在跟蹤的時候，計算機能夠對對誤差進行即時計算，從而能夠讓跟蹤定位不斷調整。

（4）光學平臺

在星光通信領域，信號發送端和信號接收端的作用是能夠對彼此發送的信號進行探測，然后根據信號來進行對對方的準確定位。當定位出現誤差的時候，ATP能夠對天線的方式進行接受，從而完成雙方帶來的信號光，并且定位信號光在第四象限的探測器的坐標位置，并且跟進對誤差方位的提供，從而讓系統的天線能夠萬恒下一步精準的對接和跟蹤任務。探測對方發來的信號，通過放大器和調節器的作用，來完成最終的準確、及時、高質量的通信任務。

衛星激光通信系統能夠在自由空間中對激光進行利用，從而把激光當作信息傳輸的載體，激光使用的最大作用在于其光束不容易發散，從而能夠保證信號的穩定性和高質量。

所以光束的對準是十分困難，尤其是作為運動衛星間的光通信，完成收發光束的捕獲、跟蹤、瞄準就成為自由空間激光通信最關鍵的技術。以上所談系統只是理論分析，對實際應用國內還有一段很長的路要走。

激光能作為衛星光通信技術的重要載體，是因為其傳播過程中發散角很小，但這也帶來了問題。激光束的對準是非常困難的，特別是在天體運動衛星當中，要想準確地完成激光束的捕獲、跟蹤與瞄準更是其為困難的。所以目前以上技術還只是停留在理論階段并未開始真正應用，在這條道路上我國還有很長的道路要走。

2? 關鍵技術

為了完成信號的接收與發送、光束的精確對準，以下技術都尤為關鍵：

（1）光信號的發射與接收

1）高功率光源及高碼率調制技術

為了克服空間當中背景光的干擾，通常將信標光的頻率調至10～5000Hz或5000～50000Hz。在激光通信中采用的信號光的光源通常是前文所述的半導體激光器或固體激光器，其工作在近紅外波段，波長大約為0.8～1.5pm。

2）高靈敏度抗干擾的光接收技術

在空間中由于干擾較多，因此接收到的光信號都很弱，在太陽光、行星光等光源的干擾下更加增大了接收光信號的難度。因此高靈敏度抗干擾的光接受技術是空間激光通信需要解決的問題，在目前的技術條件下通常采用以下兩種方式來削弱這種影響：

從接收端入手，提高接收端的靈敏度。

對接收到的信號進行有效的處理，采用弱信號檢測技術。

3）精密、可靠、高增益的收發天線

為了使系統能夠進行雙向通信，因此采用收發合一的天線，這是從激光束的質量方面來考慮。此外，為了保證整個空間系統的安全穩定性，天線總體結構要求要輕便、可靠。

（2）光束的捕獲、對準、與跟蹤

1）捕獲、對準過程：分別以A，B 表示需建立光鏈路的兩個終端

① A 端機發出信標光，然后在不確定視場范圍內進行掃描。B 端在A 端掃描的同時采取跳步掃描的方式進行掃描，另一幀B 端跳一步，凝視于另一角度。如果不確定視場不大，而B 端的接收視場等于或大于不確定視場時，則B 端不必進行掃描，只處于凝視等待狀態。A 端信標光的光束在掃描過程中必然會落在B 端的接收視場內，即B 端必然會接收到A 端的信標光。

② 當B 端接收到A 端的信標光后，B 端探測器輸出的位置誤差信號，經處理后送給萬向支架控制器，驅動萬向支架轉動，從而對準A 端。A 端收到B 端的信標光，達到一定門限后，掃描停止。A 端探測器（CCD）功輸出位置誤差信號，經處理后送給萬向支架控制器，驅動萬向支架轉動，進一步對準B端。

③ A 端和B 端進一步調整，從而達到捕獲、對準的目的。

目標跟蹤

在對目標進行粗定位后，就要進行精確跟蹤，采用的是跟蹤、瞄準系統。在對目標進行了初步的識別之后，通過精確跟蹤實現對目標進行實時跟蹤，目前主要使用的是紅外探測儀和前文所述高靈敏度傳感器，并配備有其專用的電子系統。