空间激光通信技术研究

空间激光通信技术研究
研究背景：
随着信息传输量呈指数级增长,目前以微波通信为主的卫星
通信已经不能满足用户对容量和数据传输速率的需求,空间
激光通信以其高容量、窄波束、轻载荷的技术优势呈现方兴
未艾的发展态势。作为全球最早开展激光通信技术研究的国
家,美国在20世纪60年代中期就实施了空间光通信方面的研
究计划。进入20世纪90年代后,随着激光技术和关键器件的
基础研究取得突破,空间激光通信的应用研究和工程试验工
作开始加速。美国、欧洲、日本等制定了多项有关自由空间
激光通信的研究计划,对自由空间激光通信系统所涉及到的
各项关键技术展开了全面研究,并开展了多次在轨实验验证。
我国在“九五”期间开展了空间激光通信的基本概念和理论
研究,其后在关键技术、样机设计、地面试验、在轨试验方
面均逐步取得重大进展,为未来空间应用奠定了一定的理论、
技术和工程试验基础。在空间激光通信领域,虽然与发达国
家相比,我们还存在一些差距,但我国关键技术攻关的技术
路线是与国外基本保持同步的。只要充分发挥后发优势,纳
入国家创新体系集智攻关,在未来空间宽带网络中充分利用
空间激光通信技术,不仅是可行的,而且大有作为。
发展我国空间激光宽带网络,主要由以下几个方面的需求。
首先是高速数据传输需求。2020年前后,大多数信息获取类
卫星数据传输速率在2 Gbit/s 以上,最高要求8 Gbit/s以上。
2030 年航天器数据传输速率将向更高发展,微波手段已经
难以满足需求。其次是空间高速组网需求。天基信息系统包
括环境监测、通信卫星、中继卫星、导航定位等应用卫星系
统,轨道包括地球静止轨道、倾斜大椭圆轨道和太阳同步轨
道等多种轨道形式。随着航天技术发展,各应用卫星系统之
间信息交互的数据量越来越大,轨道内、轨道间卫星之间组
网运行的需求日益迫切,急需构建天基一体、信息融合、互
连互通的天基信息网。利用激光作为载体,是实现大容量高
速组网运行的最佳手段。最后是技术发展推动需求。利用微
波进行高速数据传输存在3个突出问题:1)频带受限,传输速
率难有较大突破,目前微波传输的最高速率是Gbit/s 级,不
能满足空间宽带组网的需要;2)轨道频率资源紧张,申请协
调难度大,在已分配的GEO卫星222 个轨位中,美国占145 个,
中国仅占19个;3)频谱拥挤重叠,频率干扰严重,频谱协调难
度加大。考虑到现实情况,采用微波技术构建我国覆盖全球
的空间宽带网络,在频率和轨道资源上都存在较大困难。激
光通信具有高带宽、高传输速率等优点,可有效克服微波传
输存在的上述突出问题,是空间宽带组网的最佳技术途径。
目前,我国已经在空间激光通信领域取得了一定成果,利
用国家创新体系推动相干激光通信、星地激光通信大气效应、
激光通信组网等关键技术取得突破,加快我国空间激光通信
系统及应用研究步伐显得尤为必要。
研究目标：
按照“全球覆盖、重点支持、便于组网、便于管理”的原则,
同时充分发挥激光链路高速数传的优势,对未来激光链路卫
星星座进行设计。空间激光宽带网络星座设计必须考虑下述
约束条件。1 )全球覆盖的要求。星座设计必须满足全球覆
盖的要求。2)轨位继承的要求。考虑到轨位申请的难
度,尽可能继承我国已申请的19 个GEO 轨位。3)链路能力的
要求。星座设计必须考虑星间链路功率、捕跟能力,激光链
路星间距离存在一定约束。4)系统优化的要求。星座设计必
须考虑便于组网、便于管理、系统最优的要求。
从我国激光/微波卫星共存条件下完成“全球覆盖,重点支持”
的任务要求出发,综合考虑建设成本、服务容量以及可扩展
性,建议采用基于现有节点的6 节点方案,部署激光、微波混
合型星座。微波卫星和激光卫星通过激光星间链路组
成高速宽带环网,微波卫星主要服务中低速用户目标,激光
卫星服务高速数据用户。
研究内容：
建设我国的空间激光宽带通信网络,在空间激光通信工程化、
空间组网技术方面还有许多关键技术需要研究,需要重点研
究的关键内容有下述几方面。
1 ，超长距离激光通信技术研究
按照我国申请到的GEO 轨道位置,星间链路距离最短4×104
km,最长6×104 ~7×104 km,高稳频、窄线宽、大功率激光
发射器件还存在制约,远距离跟瞄技术、弱光信号相干接收
技术均有待开展技术攻关和试验验证,取得新的突破。
2 激光链路自主建立技术研究
空间激光通信卫星星座组网,由于太阳背景光等宇宙环境因
素的干扰,同时由于轨道摄动的影响,卫星轨道位置和姿态
均会发生变化,在激光链路遇到异常中断后,可以尝试通过
邻星位置推算,最后跟踪点定向扫描、自主螺旋扫描等手段
自主建立链路,减少对地面建链控制的依赖,提供空间骨干
网络运行的可靠性。
3 星地激光大气效应研究
星地激光通信大气影响,始终是制约天基激光宽带网络实现
天地一体化宽带传输的主要因素。国外在开展空间激光通信
在轨试验前,进行了大量的地面实验工作,对大气激光通信
的模型、效应进行了大量测试和统计分析工作。如NASA 在
1998 年进行了45 km 的水平路径大气激光通信实验,欧洲、
日本也开发了模拟实验系统进行了大量测试实验工作。我国
的科研院所先后开展了青海湖40 km 激光通信强度探测实验、
长城八达岭18 km 激光通信强度探测实验,但在激光通信
的大气效应方面还缺乏模型化的分析。
4 空间激光宽带网络协议研究
空间激光宽带网络,必须与各应用系统互联互通才能发挥作
用,但各种应用系统的业务类型、数据类型千差万别,有IP
数据包的,也有链路层的数据段,空间激光宽带网络必须适
应各种协议、各种业务类型的接入。在协议体系方面,需要
研究小数据的汇合和分离,形成大的数据粒度,以满足骨干
网络大数据传输的需要。
3.5 卫星星座智能管理技术研究
由于我国国土面积的限制,空间激光通信卫星星座组网,必
然存在境外不可见高轨卫星的测控管理问题,应用射电天文
星、GPS 泄漏信号进行定位都是正在研究的技术途径。最
近,NASA提出了智能星座的概念,空间激光宽带网络可靠
稳定的运行,基于星上的星务管理、任务规划、星座构型保
持、卫星软件重构等关键技术,都是卫星星座智能管理的基
础,需要加大研究力度。