衛(wèi)星激光通信現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢分析

宋春煥

（西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，陜西西安710023）

衛(wèi)星激光通信現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢分析

宋春煥

（西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，陜西西安710023）

主要對最近十年的衛(wèi)星激光通信進(jìn)行研究，重點介紹了衛(wèi)星激光通信的發(fā)展現(xiàn)狀，在未來的發(fā)展趨勢和日常推廣應(yīng)用之中希望能夠?qū)πl(wèi)星激光通信技術(shù)的發(fā)展有所幫助。

衛(wèi)星激光通信；現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢；分析

引言

在激光通信技術(shù)誕生之前，人們進(jìn)行遠(yuǎn)距離的通信主要依靠的是微波通信，這種技術(shù)的缺點比較明顯，隨著人們通信需求的增加，這種技術(shù)逐漸不能適應(yīng)社會的需求，微波頻率的資源變得非常緊張。特別是在高精度的對地觀測需求出現(xiàn)之后，微波的通信技術(shù)更加不能滿足社會的需求，因此，就需要研究新的通信技術(shù)，以滿足社會的各種通信需求，于是衛(wèi)星激光通信技術(shù)逐漸成了空間高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屡d技術(shù)。該技術(shù)的容量非常大，而且與其他的通信技術(shù)能夠進(jìn)行充分融合，減少中間的解碼過程，它為實現(xiàn)高速全球無縫連接提供了新的手段。

1　衛(wèi)星激光通信的種類

按照激光傳輸環(huán)境的不同，可以將衛(wèi)星激光通信分為兩大類：一種是真空環(huán)境下的激光通信，它也叫做星間激光通信，這種通信技術(shù)主要應(yīng)用在比較特殊的設(shè)備中，因為在一般環(huán)境下，很難達(dá)到真空的要求，因此使用的范圍較小，局限性較大，例如在衛(wèi)星與衛(wèi)星或者與飛船、航天飛機等之間的通信屬于真空通信，因為太空中沒有空氣，達(dá)到這一要求相對簡單；第二種是在大氣環(huán)境下進(jìn)行的激光通信，這種通信技術(shù)應(yīng)用比較廣泛，例如在衛(wèi)星與地面、海上用戶及空中飛行器的連接等，它也叫做星地激光通信。

衛(wèi)星激光通信技術(shù)的研發(fā)開始于20世紀(jì)70年代，在當(dāng)時情況下，人們已經(jīng)意識到微波通信的局限性，于是開始探索新的通信方式，到了20世紀(jì)90年代才開始進(jìn)行實驗，研究的時間非常長，因此，該技術(shù)仍然處在發(fā)展階段，現(xiàn)階段的發(fā)展?fàn)顩r仍然有前進(jìn)的空間，而且未來的發(fā)展前景也是非常廣闊的［1］。

2　衛(wèi)星激光通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

衛(wèi)星激光通信技術(shù)的發(fā)展時間不是很長，因此，它現(xiàn)在的技術(shù)還很難應(yīng)用到實踐當(dāng)中，該技術(shù)還有許多問題需要去解決，例如美國。美國在衛(wèi)星激光通信技術(shù)上的研究時間最長，而且取得的成績也是最好的，在1994年，美國研發(fā)中心開始對深空通信方案進(jìn)行詳細(xì)地論證，以期能夠找出衛(wèi)星激光通信的核心技術(shù)，它們首先綜合分析了激光同X波段/Ka波段通信的效費比，最終的結(jié)果顯示激光技術(shù)在進(jìn)行大數(shù)據(jù)量的傳輸作用方面存在明顯的優(yōu)勢，這種優(yōu)勢非常明顯。在之后的過程中，美國研發(fā)中心開始在激光調(diào)制/檢測的方法方面進(jìn)行了細(xì)致的研究，研發(fā)中心最后明確了發(fā)展的方向，那就是以脈沖位置調(diào)制及其相關(guān)改進(jìn)調(diào)制的方式當(dāng)做重點的發(fā)展方向。美國研發(fā)中心也進(jìn)行了深空數(shù)據(jù)的星載中繼和地面站直接接收方案比較，結(jié)果表顯示，要想實現(xiàn)不間斷地深空激光鏈路的數(shù)據(jù)中繼，單個星載中繼站與多個地面站投資成本是差不多的。但是多地面站聯(lián)網(wǎng)工作的優(yōu)勢較為突出，例如它可以通過分散部署降低天氣對激光通信的影響，進(jìn)而能夠使其達(dá)到與星載中繼站的方式相同的效果，同時，這種技術(shù)在天氣情況非常好的前提下，能夠在同一時間對多個深空探測器進(jìn)行精確的跟蹤，提高工作的效率。因此，美國在該技術(shù)上的研發(fā)重點是用于深空通信的多光學(xué)地面站。研發(fā)中心在2009年時，又進(jìn)行了實地實驗，設(shè)計了3路上行信號光當(dāng)做通信的載體，這些激光的最大發(fā)射功率超過20 mW，功率非常強，在其他國家很難達(dá)到這一功率，但是，這項實驗并沒有取得非常好的效果，因為衛(wèi)星上的平均接收功率還是非常低，只有不到-70 dBm，很難達(dá)到通信的要求，而且，信號的強度只能達(dá)到精跟蹤傳感器的靈敏度。因此，上行鏈路只能維持基本的光束跟蹤，并不能保證碼元同步，常常會出現(xiàn)信號太弱導(dǎo)致時鐘同步失鎖的情況發(fā)生，造成通信中斷［2］。

3　衛(wèi)星激光通信技術(shù)的發(fā)展趨勢

從美國研發(fā)中心的研究結(jié)果可以看出，目前衛(wèi)星激光通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀仍然不是非常樂觀，最主要的原因就是激光功率強度的大幅度衰減，地面激光在達(dá)到衛(wèi)星的過程中，會損失大量的能量，使得達(dá)到衛(wèi)星的激光強度非常弱，這種強度勢必會造成通信數(shù)據(jù)的丟失，進(jìn)而難以滿足通信的需求，美國的激光發(fā)射設(shè)備具有一米以上的超大孔徑天線，具備完善的光機電一體配套設(shè)施，并配備非常精密的測控系統(tǒng)，但是，這些客觀條件仍然不能滿足衛(wèi)星上接收到信號的需求，信號的穩(wěn)定性仍然非常差。激光在上行過程中會遇到非常多的空氣介質(zhì)，這些介質(zhì)會阻礙激光的前進(jìn)，激光在穿越空氣時，會損失掉非常多的能量，進(jìn)而導(dǎo)致激光強度受到衰減，而激光在從衛(wèi)星達(dá)到地面的過程中，損失的能量較小，因為，在太空中的介質(zhì)幾乎為零，損失的能量可以忽略不計，直到接近地面時才會有大氣衰減和相位畸變。因此，解決激光通信難題的關(guān)鍵是減少地面到衛(wèi)星的衰減，降低損耗，提高激光傳輸?shù)挠行浴?/p>

衛(wèi)星激光通信技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)接近成熟的第二代，距離實際應(yīng)用越來越近。借助衛(wèi)星激光鏈路組建空間骨干網(wǎng)具備了初步的硬件條件，空間組網(wǎng)是衛(wèi)星激光通信下一步發(fā)展趨勢。

4　結(jié)語

衛(wèi)星激光通信技術(shù)的發(fā)展難題就是地面到衛(wèi)星的傳輸影響，在這過程中會造成激光能量的衰減，使得激光的能量無法達(dá)到傳輸?shù)男枨?，因此必須提高其傳輸效率。該技術(shù)的發(fā)展趨勢是建立空間組網(wǎng)，使得激光在更加有效的環(huán)境下進(jìn)行傳輸。

［1］李勇軍，趙尚弘，吳繼禮.零相位因子LEO/MEO雙層衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)設(shè)計［J］.中國科學(xué)，2011（2）:10-21.

［2］楊宇冠.多脈沖位置調(diào)制衛(wèi)星光通信中時鐘抖動對比特錯誤概率影響［J］.光學(xué)學(xué)報，2013（9）:20-24.

（編輯：王璐）

Satellite Laser Communication Situation and Development Trend

Song Chunhuan
（Electronic and Information Engineering College of Xi'an Technological University，Xi'an Shaanxi 710023）

This paper focuses on the last decade of satellite laser communication research，focusing on the status of the development of satellite laser communications，as well as future trends in satellite laser communications in the most recent rapid development，has achieved very good results，which item technology has reached maturity about the second generation，the future will be extended to people's daily use among the community's help is very great.I hope that some of the points of this paper can be on the development of satellite laser communication technologies help.

satellite laser communication；status quo；trends；Analysis

TN929

A

2095-0748（2015）21-0072-02

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2015.21.31

2015-10-08

宋春煥（1979—），男，四川南充人，碩士，講師，研究方向：控制與測試技術(shù)、數(shù)字信號處理。