关于卫星光通信技术发展现况综述

·信息光学课程论文·

关于卫星光通信技术发展现况综述

陈毅强

(哈尔滨工业大学航天学院，黑龙江哈尔滨150001)

摘要光通信是人们经过多年探索并于近几年取得突破性进展的新技术。而卫星光通信更是一种崭新的空间通信手段。利用人造地球卫星作为中继站转发激光信号，可以实现在多个航天器之间以及航天器与地球站之间的通信。其传输速率高、可利用频带宽、安全性（可靠性）高、保密性强、终端设备体积小、质量轻、功耗低等优点吸引着各国专家锲而不舍地探索。本文介绍了卫星激光通信系统组成及其关键技术，之后介绍了影响卫星光通信系统性能的因素及对策，最后详细介绍了国内外卫星激光通信的研究现状及最新发展动态。

关键词卫星光通信星间通信系统对准跟踪发展现况

中图分类号O436 文献标识码 A

On satellite optical communication technology development status overview

yiqiang chen

(Harbin Institute of Technology，Space Academy，Harbin，Heilongjiang 150001，China)

Abstract Optical communication is that people after years of exploration and breakthroughs in recent years, new technology. The satellite optical communication is a brand new space communications means.

The use of artificial earth satellites as a relay station forwards the laser signal can be achieved in a number of spacecraft, as well as between the spacecraft and the earth station communication. Its transmission rate is high, available bandwidth, security (reliability) high, confidentiality, terminal equipment, small size, light weight, low power consumption and persistently attracted national experts to explore. This paper describes the satellite laser communication system components and its key technology, and then introduces the impact of satellite optical communication system performance factors and countermeasures, the final details of the domestic and international satellite laser communications research status and recent developments.

Keywords Satellite optical communication; Inter-satellite communication system; Alignment Tracking;

Development Status

1 引言

在现在信息量高速增长的情况下, 人们对通信系统容量的要求也在高速增长, 而当前无线通信受到带宽和容量限制, 已经不能满足当前需要, 对图像信息的实时传递更是无能为力。随着激光的产生, 光波通信技术日益表现出适应这种通信需求的势头。卫星激光通信是一个较新的研究领域,美国欧洲、日本等国都对此极其关注, 并已进行了深入的研究, 这主要是因为用激光进行卫星间通信具有如下优点:

开辟了全新的通信频道使调制带宽可以显著增加、能把光功率集中在非常窄的光束中、器件的尺寸、重量、功耗都明显降低、各通信链路间的电磁干扰小、保密性强并且显著减少地面基站, 最少可只有一个地面站。

卫星激光通信包括深空、同步轨道、低轨道、中轨道卫星间的光通信, 有GEO (geosynchronous earth orbit , GEO)- GEO,GEO- LEO ( low- earth orbit , LEO), LEO - LEO, LEO- 地面等多种形式, 同时还包括

卫星与地面站之间的通信。随着元器件发展, 卫星光通信技术已基本成熟, 并逐渐向商业化方向发展, 美国、欧洲、日本等国家都制定了多项有关卫星激光通信的研究计划, 对卫星激光通信系统所涉及到的各项关键技术展开了全面深入的研究, 在最近几年卫星激光通信就将进入实用化阶段。特别是一旦实现小卫星星座之间的激光星间链路及其系统成熟, 必将更加促进其商业化发展。可以预言, 卫星激光通信必将成为未来超大容量卫星通信的最主要的途径。

卫星通信网络是利用人造地球卫星作为中继站转发无线电波，从而实现两个或多个地面站之间通信的网络。其中，地面站是指设在地球表面（包括地面、水面和大气层）的通信站，也称为地球站。通信卫星的作用相当于离地面很高的中继站。卫星通信网络分为延迟转发式通信网络和立即转发式通信网络。

当卫星的运行轨道属于低轨道时，对于相对较远的地面站而言，要进行远距离实时通信，除采用延迟转发方式（利用一颗卫星）外，也可以利用多颗低轨道卫星进行转发，这种网络就是通常所说的低轨道移动卫星通信网络。

2 卫星光通信系统组成

为了实现空间光传输与ATP (acquisition tracking pointing)技术, 通常需要信号光与信标光。一般的卫星间光通信系统由以下4 部分组成：

2.1 光天线伺服平台

包括天线平台及伺服机构, 由计算机控制。在捕获阶段完成捕获扫描, 系统处于按预设指令工作状态, 将光束导引到粗定位接收视场, 从而完成光束捕获。在跟踪、定位阶段,根据跟踪探测器获得的误差信号, 经处理后送到伺服执行机构, 构成一个负反馈闭环系统, 完成精定位。对于运动载体上的光通信系统, 为了减小各种扰动误差影响, 还需要增加陀螺控制回路。

2.2 误差检测器

包括光天线及光电探测器。光电探测器一般由捕获探测器和定位探测器两部分组成。捕获探测器完成捕获与粗跟踪, 并将接收到的光信号引导到定位探测器上, 进行精定位,最后调整收发端, 使光束对准。

2.3控制计算机

控制计算机包括中心控制处理器与输入、输出接口设备。控制计算机可以接收卫星控制指令, 控制天线伺服平台粗对准光链路的连接方向。捕获阶段可以由预定的程序控制光束扫描和捕获。在跟踪阶段, 计算机对误差信号进行计算,并实时地输出信号控制天线伺服平台的粗、精跟踪, 完成光束的对准。

2.4光学平台

收发端机的功能是探测对方发来的信标光, 确定信标光方位, 给出误差信号使ATP 系统校正接收天线的方位,完成双方光天线的粗对准。在天线已粗对准的情况下, 探测双方发来的信号光, 并利用信号光在4 象限探测器上的坐标,提供方位误差信号给ATP 单元完成双方天线的精对准和跟踪任务。探测对方发来的信号光, 通过放大、解调等电处理, 完成通信任务。

3 卫星光通信的关键技术

3.1 CDMA技术

CDMA(码分多址)系统通过采用话音激活技术、前向纠错（FEC）技术、功率控制技术、频率复用技术、扇区技术等技术手段，可使CDMA系统容量大幅扩大，同时，它还具有抗多径干扰能力、更好的话音质量和更低的功耗以及软区切换等优点。CDMA以其本身所具有的特点及优越性而广泛应用于数字卫星通信系统中。特别是近年来，小卫星技术的发展为实现全球移动通信和卫星通信提供了条件，利用分布在中、低轨道的许多小卫星实现全球个人通信，已在国际上逐渐形成完善的体系。

CDMA移动卫星通信系统根据导频信号的幅度实现功率控制, 减少用户对星上功率的要求从而增加系统的容量，减少多址干扰；CDMA移动卫星通信系统可利用多个卫星分集接收，大大降低多径衰落的影响，改善传输的可靠性。此外，由于CDMA多址方式具有优越的抗干扰性能、很好的保密性和隐蔽性、连接灵活方便所等特点，决定了它在军事卫星通信上具有重要的意义。

3.2 抗干扰技术

现代军事斗争中，敌我双方对卫星通信干扰与抗干扰技术对抗越来越激烈。未来战争中电磁环境将变得越来越复杂，卫星通信因其固有的特点而面临极大的威胁。由于通信卫星始终暴露在太空中，且信道是开放的，易于受对方攻击。因此，军事卫星通信中干扰和抗干扰是斗争双方关注的焦点，研究在复杂电磁环境下卫星通信抗干扰技术体制已成为提高军事通信装备生存能力、确保军事指挥顺畅的关键。

卫星通信抗干扰主要通过传输链路抗干扰、软硬件设备抗干扰以及建立综合智能抗干扰体系等措施实现。

传输链路抗干扰主要有DS/FH混合扩频、自适应选频、自适应频域滤波、猝发通信、时域适应干扰消除、基于多用户检测的抗干扰、跳时(TH)、自适应信号功率管理、自适应调零天线、多波束天线、星上SmartAGC、分集抗干扰、变换域干扰消除、纠错编码和交织编码抗干扰技术等。软硬件设备抗干扰主要有光电隔离、硬件滤波、屏蔽、数字滤波、指令冗余、程序运行监视等技术。建立综合智能抗干扰体系可以通过建立软件化抗干扰硬件平台、建立智能化抗干扰软件应用系统，如：智能抗干扰系统、网络监测控制系统、专家策略支持系统等措施实现。

特别值得一提的一种抗干扰、抗搜索、抗截获的技术是跳频通信技术，它是在现代信息对抗日益激烈的形势下迅速发展起来的。各国军方对这一先进技术的发展和应用十分重视，不断加强对跳频抗干扰通信的研究和推广应用。目前，跳频技术装备正朝着宽频带、高速率、数字化、低功耗的方向快速发展，其信息战潜力巨大。

3.3 基于MPLS的移动卫星通信网络体系构架

MPLS（多协议标签交换）技术由于可将IP路由的控制和第二层交换无缝地集成起来，具有IP的许多优点(如扩展性、兼容性好)，又可很好地支持QOS和流量工程，是目前最有前途的网络通信技术之一。近年来，在地面固定网MPLS技术逐渐成熟后，该技术已向光通信、无线通信和卫星通信等领域扩展。现有的宽带卫星系统设计主要采用卫星ATM 技术，研究表明该技术可给不同的业务提供很好的QOS保证，并可利用面向连接的虚通路设计以及流量分类等方法为网络提供有效的流量工程设计。

卫星MPLS体系结构分为用户层、接入层、核心层三部分，其中，用户层包括卫星手持移动终端(直接接入移动卫星网)、小型专用局域网用户(通过小型地面移动终端接入卫星网)、其他网络用户(通过地面网关站接入卫星网络)等。接入层由标签边缘交换路由器(LER)组成，完成卫星MPLS网同其他网络以及卫星手持移动终端的连接，其主要功能包括实现对业务的分类、建立FEC和标签之间的绑定、约束LSP的计算、分发标签、剥去标签以及用户QOS接纳管理和相应的接入流量工程控制等。核心层由标签交换路由器(LSR)组成，完成信息按MPLS标签进行交换转发，其上主要运行MPLS控制协议和第三层路由协议，并负责与其他标签交换路由器交换路由信息来建立路由表、分发标签绑定信息、建立和维护标签转发表等工作。

3.4 捕获、跟踪、瞄准技术

快速、精确的捕获、跟踪和瞄准是保证空间远距离光通信的前提，属于空间远距离光通信的核心技术。由于卫星之间的相对运动和为了减小发射功率，激光信标发射采用的是微弧度量级的窄波束，所以更使得捕获、跟踪、瞄准的难度进一步加大。因此，在相距极远的两颗卫星之间，必须保证信标光的发射波束覆盖接收机的接收天线，这样才能保证接收端捕获和跟踪发射端的窄波束，并且非常有必要对空间飞行条件进行深入透彻的分析，从而制订合理的、切实可行的捕获、跟踪与瞄准方案，同时优化设计，最终实现快速、精确的捕获、跟踪和瞄准，达到或者满足系统所要求的指标。

为了缓解对空间瞄准、捕获和跟踪系统苛刻的要求，同时加快通信链路建立速度，接收机的视场角一定要宽，为几个毫弧度，灵敏度为-110分贝瓦，跟踪精度为几十个毫弧度。然而这样接收的背景辐射功率就会迅速上升，掩埋其中的信标信号。解决这一问题的关键在于在接收机中使用超窄带宽、高透射率的光学滤波器。

系统完成目标捕获后，就要对目标进行瞄准和实时跟踪。通常采用四象限红外探测器QD或Q-APD高灵敏度位置传感器来实现，并配以相应的电子学伺服控制系统。精跟踪要求视场角为几百微弧度，跟踪灵敏度为-90分贝瓦，跟踪精度为几微弧度。

4 影响卫星光通信系统性能的因素及对策

4.1 大气的影响

大气对空间光通信的影响主要表现为两个方面：大气衰减以及光束闪烁、扩散、弯曲。

大气衰减是指因大气对光束的吸收和散射而引起的信号能量减弱，吸收是由水蒸气、二氧化碳、臭氧分子等对光有吸收作用造成的。克服大气衰减的方法有三种：一是选择工作波长，使其处于透过率高的大气窗口之内；二是提高激光器的输出功率；三是提高接收机的灵敏度其中包含优化光学系统设计、增大接收天线口径、对光学天线作镀膜处理、选择高灵敏度的光敏感器件、降低接收机的噪声等。

光束闪烁、扩散、弯曲是由传播过程中大气湍流和大气折射引起的波前失真造成的。大气湍流的影响会造成传输的误码率增加，散射则是由悬浮粒子引起的米氏散射、瑞利散射造成的，光束扩散、弯曲的影响会造成接收到的光功率下降。克服光束闪烁、扩散、弯曲的方法是增加接收天线面积和在发射与接收两端分别使用自适应光学技术。

4.2 温度的影响

光通信系统的终端处在平台的不同位置，设备之间总存在温度梯度。而设备又是用多种材料制成的，不同材料有不同的膨胀系数，温度梯度势必造成机械结构变形，从而影响系统的安装和指向精度。克服的方法有两种：一是选用膨胀系数小的材料，二是采用主动温控措施。

4.3 背景光的干扰

太阳光、月光、星光及地面的反射光，都可能对通信链路的建立和正常的通信产生干扰。克服背景光干扰的方法是采用窄带滤光器和缩小接收视场。

4.4 恶劣的天气干扰

雾、雨、雪、雹等气象条件都会对光的传播造成衰减。典型气象条件下的传播衰减情况如下表所示。克服的方法同大气衰减项。

表4.4.1 气象条件造成的衰减损耗

4.5飞行平台的姿态变化

飞行平台的姿态变化会改变光束指向。光束指向的随机变化给捕获、瞄准和跟踪带来困难。即使飞行平台姿态变化小到不影响捕获、瞄准和跟踪，但也会引起接收信号的减少。接收信号减少的直接表现是信号噪声比的降低和误码率的增加。因此对飞行平台姿态变化和振动要采取措施。克服的方法是用稳定平台和采取隔振措施。

4.6 飞行平台的相对运动

飞行平台的相对运动将造成光束指向的不确定性。克服此影响的方法是用星历表和实时的轨道预报，以设置超前瞄准参数。

5 国内外卫星光通信发展状况回顾

5.1 美国

美国开展空间光通信方面的研究最早,于60 年代中期就开始实施空间光通信方面的研究计划。美国国家航空和宇航局(NASA)的喷气推进实验室(JPL)早在70 年代就一直进行卫星激光通信的研究工作, 其它如林肯、贝尔等著名实验室也都开展了空间激光链路的研究。近几年来, 空间激光链路研究已成为美国的研究热点, 这将有助于改变近些年美国在这一领域的研究落于欧洲甚至日本之后的局面。

5.2 日本

日本是光通信技术发展很迅速的国家, 日本与80 年代中期开始空间光通信研究, 主要有邮政省的通信研究室(CRL)、宇宙开发事业团(NASDA) 和高级长途通信研究所(ATR) 的光学及无线电通信研究室进行这方面

的工作。ETS- VI 和OICETS 计划, 是由他们提出的计划, 这是两个十分引人注目的空间光通信研究计划。ETS- VI 计划旨在进行星地之间的空间光通信实验, 且已于1995 年7 月成功地在日本的工程试验卫星ETS- VI 与地面站之间进行了星地链路的光通信实验, 这是世界上首次成功进行的空间光通信实验。此举使日本一跃而居空间光通信研究领域之首位。日本和欧空局还将利用各自研制的、装于各自卫星上的空间光通信终端, 合作进行空间光通信系统的空间实验, 这进一步显示出空间领域逐步走向国际合作化的趋势。

5.3 欧盟

欧洲空间局(ESA)于1977 年夏就开展了高数据率空间激光链路研究, 至今欧空局在空间光通信方面已经进行了二十多年的研究工作。ESA 先后在空间光通信研究方面制定了一系列计划, 有步骤地开展对空间光通信各项技术的研究, 现已在该领域的一些关键技术方面处于明显的领先地位。

5.4 国内

不论是美国、欧洲、还是日本对卫星光通信的研究都已经进入了空间实验阶段, 而且很快就要发展到实用阶段。我国卫星光通信研究与美、欧、日相比起步较晚, 目前国内只有少数几个单位( 比如电子科技大学, 哈尔滨工业大学等, 武汉大学近年来也参与了卫星激光通信方面的研究, 并取得了较大成果。) 进行卫星光通信方面的研究工作, 这些工作涉及到卫星光通信的基础技术及基本元器件的研究, 以及关键技术的研究但离空间实验阶段还有相当一段距离。虽然我国在这方面的研究与国外的距离较大, 但从现有国内器件及技术水平看, 卫星光通信所需的技术基础已经具备, 这与国外开展卫星光通信研究的初期情况不同, 当时卫星光通信所需的主要元器件均不成熟, 因此, 国外卫星光通信方面的研究工作初期走了不少弯路。现在卫星光通信所需元器件已经比较成熟,我国的卫星光通信研究只要加大投资力度, 一定会很快在关键技术方面得到突破, 我国卫星光通信研究从开始到进行星上搭载实验的时间也会大大短于国外所花费的时间。

6 我国对卫星光通信发展展望

卫星通信在国防现代化建设、社会经济发展以及我国参与全球经济一体化活动等方面都占有重要地位。我国只有紧紧抓住这一有利时机，真正把发展卫星通信事业摆在重要地位，及时跟踪、赶超国外卫星通信的先进技术，才能使我国在新一轮的国际竞争中占据有利地位。

随着Internet、地面移动网快速发展，卫星通信将会迎来一个更大的发展，我国将以自主的、大容量通信卫星为主体，建立起完善、长期稳定运行的卫星通信系统。同时，我国将积极对外开放，广泛进行国际合作，利用国际的先进卫星通信技术来发展我国的卫星通信。

我国卫星通信技术的发展应注意开发新频段，提高现有频段频谱的利用率，公用干线通信网应进一步向宽带化方向发展，利用IP、ATM建立卫星宽带综合业务数字通信网——国家信息高速公路。

对于专用卫星通信网应进一步向小型化、智能化、经济化方向发展。发展移动卫星通信系统的信关站技术和其他各类高增益、高跟踪精度的轻型移动天线、伺服、跟踪技术。发展网络管理、控制及网络动态分配处理技术，发展网同步技术，发展适应卫星信道特点的卫星IP、卫星ATM与异构网互联的路由器技术。通信卫星向大功率、大容量、长寿命、高可靠大卫星平台发展，向星上交换、星上处理、星上抗干扰技术发展，中低轨道移动通信卫星向现代“小卫星”技术发展。

在Internet、卫星宽带多媒体业务、卫星IP传输业务、卫星ATM和地面蜂窝业务发展的推动下，卫星通信将获得更大发展。尤其是光开关、光交换、光信息处理、智能化星上网控、超导、新的发射运载工具和新的轨道技术等各种新技术、新工艺的实现，将使卫星通信产生革命性的变化。卫星通信作为全球信息化网络设施的重要组成部分，将对我国和世界经济、社会、军事的发展产生重大的促进作用。

近年来的商业需求和信息高速公路的发展, 对卫星间激光链路技术要求更加迫切, 这些已经作为美国、欧洲日本等国发展该方面技术的动力, 并正向商业应用转化。现在空间光通信系统发展的趋势主要是:第一，空间光通信系统的应用正在向低轨道小卫星星座星间激光链路发展; 第二，激光星间链路用户终端向小型化、一体化方向发展;第三，低轨道小卫星星座激光链路正进入商业化、实用化发展阶段。在空间光通信研究的前期, 主要是以中继星为应用背景。然而, 随着小卫星星座的迅猛发展, 国外对第二代中继星的兴趣已经下降, 对小卫星星座的兴趣大大增加。空间光通信研究工作, 已经开始逐渐从以中继星为主要背景转到以小卫星星座为应用背景上。可以预见研究重点将会逐渐转移到小卫星星座星间激光链路的研究上。基于此点, 对小卫星星座星

间激光链路的研究工作将在空间光通信的研究中占有重要地位。

7.总结

本文首先介绍了卫星光通信的定义，然后介绍了卫星光通信系统的组成以及其关键技术，之后介绍了影响卫星光通信系统性能的因素以及对策，最后详细介绍了国内外卫星激光通信的研究现状及最新发展动态。对卫星激光通信关键技术( 如空间目标捕获、对准、跟踪) 的研究在美、欧、日等国已开展了近20 年, 但是前些年由于受到元器件技术的限制发展较慢. 在上世纪, 进入90年代, 随着元器件技术的成熟和发展而进入商业化发展阶段.特别是小卫星星座的迅猛发展, 使得对小卫星星座的星间光通信更加重视. 利用小卫星星间激光通信实现全球个人移动通信, 已不是遥远的事情了.我国自20 世纪70 年代开始激光通信的研究, 取得了较满意的结果。国内若干科研机构开展了大气激光通信方面的学术和实验研究。我国虽然在此方面的研究工作开展较晚,但由于卫星光通信的元器件及技术已成熟, 同时又有国外经验借鉴, 如抓紧机会, 定会在较短时间内赶上世界发达国家研究水平。因此, 我国应该尽快投入人力物力, 全面开展卫星光通信的研究工作. 只有这样, 我国才能在将来的全球卫星商业通信中处于领先地位。

收稿日期：2013年11月20日；收到修改稿日期：2013年11月21日

作者简介：陈毅强（1991年4月27日），性别：男，学历：硕士在读

导师简介：余建杰性别：男，学历：博士，职称：副教授，

参考文献

References

录格式如下：

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