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。