激光通信/測距一體化技術(shù)研究

李 瑋

(中國電子科技集團公司第二十七研究所，河南鄭州450046)

1 引言

激光通信技術(shù)具有容量大、抗干擾性強、功耗低、體積小等優(yōu)點，已被公認是星間(LEO星座)、軌道間(LEO－GEO)、同步衛(wèi)星與深空探測器之間及星－地海量、超高速數(shù)據(jù)傳送的有效方式。衛(wèi)星間相對位置的測量有地面監(jiān)測網(wǎng)、微波雷達、激光測距等手段。隨著星載激光系統(tǒng)的不斷完善，依靠搭載的激光通信和激光測距機，可為飛行器間提供通信和相對定位的技術(shù)手段。但由于空間條件的限制，需要使設備具有多任務工作的可能，從而降低對體積、功耗的要求，并提高系統(tǒng)的性價比?？梢灶A測，隨著激光通信和測距等復合需求的不斷提高，激光通信測距一體化技術(shù)研究將成為未來的一種發(fā)展趨勢。

2 激光通信測距技術(shù)未來發(fā)展趨勢［1－3］

隨著近幾年國外在衛(wèi)星星間和星地激光通信方面的快速進展，已在相距5000 km的衛(wèi)星之間實現(xiàn)了5.5 Gbps以上的高速星間激光通信。在衛(wèi)星測距技術(shù)領(lǐng)域，采用高重頻微脈沖測距技術(shù)對衛(wèi)星的測距精度達到亞厘米量級，在測距體制上也取得了突破，采用異步應答測距體制實現(xiàn)了到水星飛行器的行星際雙向距離測量，精度高達20 cm。在一些衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)、衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)以及光學地面站的設計中已經(jīng)出現(xiàn)了通信測距一體化跡象。所有這些已取得的進展和發(fā)展跡象表明，國外激光通信測距一體化集成系統(tǒng)研究已經(jīng)開始啟動。

主要體現(xiàn)在兩個方面:一是在飛行器終端的設計方面;二是在地面站的設計方面。

在飛行器終端設計方面體現(xiàn)出激光通信測距一體化思想的典型例子是美國的X2000項目。

X2000飛行終端是一個多功能儀器，不僅能完成與遠至木衛(wèi)二(衛(wèi)星)距離范圍內(nèi)的雙向通信，還具有雙向激光測距、科學成像和激光高度計等功能。在飛行終端結(jié)構(gòu)設計中，測距和通信共用信號光，采用應答測距體制激光測距，實現(xiàn)激光通信和激光測距復用的目的。X2000的飛行終端結(jié)構(gòu)設計圖如圖1所示。飛行終端光學系統(tǒng)包括望遠鏡光學裝置(TBA)、光束精密控制系統(tǒng)(包括精密瞄準鏡和焦平面陣列(FPA))以及上行探測器裝置(UDA)，用于接收來自地球的信標光，并向地球傳回1064 nm下行鏈路光束，接收來自地球的上行控制信號。接收和反射由地球產(chǎn)生的雙向測距信號，采集有科學價值的目標圖像以及接收由目標反射的激光高度計回波信號。FPA用于空間細光束的捕獲和跟蹤，以及科學圖像的捕獲。UDA是一個高速雪崩光電二極管，用于上行控制、上行測距以及激光高度計反射信號的接收。

圖1 X2000飛行終端結(jié)構(gòu)設計圖

在地面站的設計方面，歐洲的OGS光學地面站和日本NICT光學地面站除了可以作為星地激光通信終端使用外，還具有多種功能，可用于激光測距、對衛(wèi)星定位等。此外，2005年John J.Degnan提出了一個SLR2000衛(wèi)星激光測距站的改造方案(如圖2所示)，就是將激光測距和激光通信結(jié)合起來。SLR2000C的主要改造思路是利用SLR2000激光測距機的測距激光作為激光通信的信標光用于跟蹤瞄準，在 SLR2000衛(wèi)星激光測距機上加裝波長1550 nm附近激光器用于和衛(wèi)星建立雙向通信，充分體現(xiàn)了激光測量通信一體化思想。

圖2 SLR2000C衛(wèi)星激光測距通信集成方案框圖

3 基于激光通信的測距一體化技術(shù)方案設計

目前常用激光測距機是通過向目標發(fā)射激光，然后接收目標返回的激光信號，通過測量從激光發(fā)射到激光返回的時間實現(xiàn)測距。由于目標的反射光信號一般非常弱，為了實現(xiàn)遠距離測量通常需要激光功率非常大。因此不適合遠距離測距。針對激光通信的原理，通過設置特殊測距幀，研制基于激光通信的測距一體化系統(tǒng)，可以解決這個問題，大大提高測距的距離和精度。

3.1 設計原理

在激光雙向通信中，由于激光的傳輸只需要單向進行并且激光通信雙端都有激光源，所以可以考慮采用應答的方式進行測距。

根據(jù)激光通信的工作原理，激光通信由兩個通信端機組成(這里分別記為A、B)。每個通信端都包含信標光、信號光兩種光源和信標接收、信號接收兩個接收端，都可以用來進行測距。考慮到測量精度，設計采用信號光進行測距。

應答式激光測距的原理是通過將應答信號轉(zhuǎn)發(fā)并提取時間間隔進行激光測距。具體方法是:利用端機A發(fā)射測距編碼信號，同時打開距離測量計數(shù)器，端機B的接收單元接收到A端機的測距編碼后，產(chǎn)生控制信號去觸發(fā)激光發(fā)射單元，使其轉(zhuǎn)發(fā)A端機的測距編碼，A端機的接收單元收到B端機轉(zhuǎn)發(fā)回的測距編碼后，關(guān)閉距離測量計數(shù)器，計算出兩通信端機之間的距離。此外激光脈沖的發(fā)射和接收先后銜接、自動循環(huán)，可以進行多個周期的測量，然后進行數(shù)據(jù)平均，進一步提高測距精度。

3.2 激光通信方案設計

無線光通信是利用激光光束作為載波，在大氣中直接傳輸光信息的一種通信方式。將待傳送的信息經(jīng)過調(diào)制器加載到調(diào)制器的激勵器上，調(diào)制器的激勵器電流隨著信號的變化規(guī)律而變化，激光器的輸出信號經(jīng)過調(diào)制器調(diào)制以后，相關(guān)的參數(shù)(振幅、相位、頻率、強度)就按照相應的規(guī)律變化。光學天線把激光器輸出的信號發(fā)射出去，探測器探測激光信號，通過解調(diào)器把原來的信息恢復出來，完成數(shù)據(jù)的傳輸。無線光通信系統(tǒng)由發(fā)射分系統(tǒng)、接收分系統(tǒng)、光學天線、ATP(捕獲、跟蹤和瞄準)分系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理控制分系統(tǒng)等組成。如圖3所示。

圖3 激光通信技術(shù)方案示意圖

3.3 基于激光通信的測距一體化方案設計

由于信號光是實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體，而傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是經(jīng)過按照一定編碼方式的數(shù)據(jù)流。在接收端接收到數(shù)據(jù)流后，經(jīng)過譯碼恢復原始數(shù)據(jù)。編碼和解碼都是按照一定的規(guī)定來實現(xiàn)的。為了使用通信通道實現(xiàn)測距，通信端機A(稱測距方)的通信數(shù)據(jù)流中設置特定的格式(這種格式不同與通信數(shù)據(jù)的編碼格式，簡稱特殊測距幀)，表示系統(tǒng)將要測距。當通信端機B(稱應答方)接收到該數(shù)據(jù)格式時，經(jīng)過判斷是測距信號，便通知應答方上通信終端的總控，將一特定的數(shù)據(jù)格式(特殊測距幀)，經(jīng)過編碼和調(diào)制發(fā)射出去。在測距方接收端接收到該數(shù)據(jù)格式時，通過計算從發(fā)射測距信號開始到收到應答方發(fā)射的特殊數(shù)據(jù)格式時的時間間隔，來計算測距方和應答方之間的距離。如圖4所示。

由圖4可知，要實現(xiàn)測距通道，需要將原通信通道進行信號的擬合，即增加到通信信道，因此會影響到通信速率。在光通信中，通信速率一般大于1 Gbps，而測距信號的碼字僅僅幾十個或者上百個，因此不會對通信速率造成很大的影響。

圖4 數(shù)據(jù)信號與測距信號擬合示意圖

4 結(jié)論

目前，國際上已經(jīng)完成了衛(wèi)星光通信的基本概念和主要的關(guān)鍵技術(shù)的研究，并在此基礎(chǔ)上進行了衛(wèi)星間、衛(wèi)星與地面之間的光通信，驗證了衛(wèi)星激光通信的可行性，國內(nèi)的光通信還需進一步的研究，實際的星地激光通信只是進行了原理性試驗，離實際的試驗還有一定的距離。本文提出的基于激光通信的測距一體化技術(shù)方案在理論上得到了深入的論證，證明了激光通信測距一體化的可行性，而真正的激光通信測距一體化技術(shù)的驗證需要持續(xù)的投入大量的人力和物力。

隨著激光通信和測距復合需求的增加，以及激光通信測距一體化技術(shù)在航天測控方面凸顯的優(yōu)勢越來越多，可以預見在不久的未來，激光通信測距一體化技術(shù)將獲得較快的發(fā)展，成為航天測控領(lǐng)域內(nèi)又一新型測控技術(shù)。通過對激光通信測距一體化技術(shù)的研究能夠進一步推動我國測控事業(yè)的發(fā)展。

［1］ Neumann G A，Cavanaughl J F.Laser ranging at interplanetary distances［C］.Proceedings of t he 15t h International Workshop on Laser Ranging，2006:451 －456.

［2］ M Jeganathan，A Portillo，C Racho，et al.Lessons iearnt from the optical communications demonstrator(OCD)［C］.SPIE，1999，3615:23 －31.

［3］ Xing Qianglin，Li Jianting，Tang Jia，et al.Concept of a unified laser TTSC system［J］.Journal of spacecraft TTSC Technology 2009，2:36 －42.(in Chinese)邢強林，李艦艇，唐嘉，等.激光載波統(tǒng)一系統(tǒng)方案構(gòu)想［J］.飛行器測控學報，2009，2:36－42.