遮光罩對GEO對地激光通信系統(tǒng)可通率影響

周鑫弘，李小明，韓成，張立中，康一丁

（1.長春理工大學(xué)　機電工程學(xué)院，長春　130022；2.空間光電技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，長春　130022；3.長春理工大學(xué)　計算機科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長春　130022；4.長春理工大學(xué)　光電工程學(xué)院，長春　130022）

遮光罩對GEO對地激光通信系統(tǒng)可通率影響

周鑫弘1，2，李小明2，韓成3，張立中2，康一丁4

（1.長春理工大學(xué)機電工程學(xué)院，長春130022；2.空間光電技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，長春130022；3.長春理工大學(xué)計算機科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長春130022；4.長春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，長春130022）

地球同步衛(wèi)星（GEO）對地激光通信系統(tǒng)具有通信速率高、保密性好等優(yōu)勢。但系統(tǒng)的光學(xué)天線暴露在星體外部，太陽照射對可通率影響嚴(yán)重。針對某GEO對地激光通信系統(tǒng)，不同長度遮光罩對太陽規(guī)避造成的可通率及比剛度影響的分析，證明增加遮光罩長度系統(tǒng)可通率提升效果明顯。對現(xiàn)有遮光罩形式進(jìn)行了分析與總結(jié)，簡述工程中遮光罩長度的確定與限定條件，為優(yōu)化設(shè)計GEO激光通信系統(tǒng)遮光罩及提高系統(tǒng)可通率提供技術(shù)基礎(chǔ)。

可通率；激光通信；遮光罩；太陽照射

激光通信具有速率高、功耗小、抗干擾能力強等優(yōu)點，其通信帶寬可以達(dá)到幾Gbps甚至幾十Gbps，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)在星載平臺常用的微波通信系統(tǒng)，是未來解決衛(wèi)星高速通信的有效手段［1］。作為中繼通信終端的地球同步軌道衛(wèi)星（GEO）通信容量巨大，微波通信已經(jīng)不能滿足實時高速信息傳輸?shù)男枨?，對激光通信系統(tǒng)需求迫切［2］。星載激光通信系統(tǒng)的主光學(xué)天線安裝在星體外部，會受到太陽照射產(chǎn)生的熱效應(yīng)和背景雜散光的影響，造成系統(tǒng)通信性能下降，甚至永久失效，對系統(tǒng)的壽命和可通率影響嚴(yán)重［3］。為了抑制以上影響，星載光學(xué)系統(tǒng)一般安裝遮光罩，減少進(jìn)入的太陽光和天空背景光，遮光罩是影響系統(tǒng)的在軌性能的重要因素之一［4，5］。為了提高GEO激光通信系統(tǒng)的可通率，增強其可用性，有必要根據(jù)GEO激光通信系統(tǒng)特點，分析遮光罩對系統(tǒng)可通率的影響，為GEO激光通信遮光罩的設(shè)計提供依據(jù)。

1 GEO激光通信主光學(xué)系統(tǒng)

GEO通信衛(wèi)星主要與地面站（OGS）或者低軌衛(wèi)星（LEO）建立通信鏈路，將LEO數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給OGS，解決LEO直接與OGS通信時通信窗口時間短，無法及時將大量數(shù)據(jù)下傳給OGS的問題。

某GEO激光通信系統(tǒng)的光學(xué)子系統(tǒng)由主鏡室、主鏡、次鏡支架、次鏡和中繼光學(xué)子系統(tǒng)組成，主鏡材料為碳化硅，采用背部安裝方式安裝在主鏡室內(nèi)，次鏡材料為微晶玻璃，采用殷鋼材料的次鏡支架支撐。其為長焦、小視場的光學(xué)能量系統(tǒng)，接收能量的效率是其主要技術(shù)參數(shù)。主光學(xué)天線前端安裝碳纖維材料的圓筒遮光罩，通光口徑Φ252，如圖1所示。光學(xué)子系統(tǒng)安裝在衛(wèi)星平臺對地面外部。

圖1　GEO激光通信光端機光學(xué)系統(tǒng)示意圖

2　光學(xué)系統(tǒng)受陽光照射及背景光分析

2.1天空背景光

地球?qū)EO衛(wèi)星的張角約為17.4°，遠(yuǎn)大于激光通信中的最大視場角（0.23°），所以當(dāng)與地面站通信時，星載激光通信終端視場內(nèi)總是充滿地球背景輻射，基本上無太陽光直射和其它點源（如行星、恒等）進(jìn)入中繼光學(xué)系統(tǒng)。其主要外部雜散光為地球背景光，并且只有在光學(xué)系統(tǒng)視場內(nèi)能到達(dá)探測器，對通信產(chǎn)生影響。地球背景光分為地球自身的光譜輻照和地球反射的太陽光譜輻射［6］，激光通信系統(tǒng)軌道處的總背景光譜輻照強度為：

其中：

C1=3.7418×108W μm m2為第一輻射常數(shù)；C2= 1.4388×104μmK為第二輻射常數(shù)；λ為激光波長，通信激光為1.55μm，信標(biāo)激光為0.8μm；Te=293K為地球黑體等效溫度，r=6400km為地球半徑；h= 36500km為地球同步軌道高度。

其中，Ts=5762K為太陽等效黑體溫度；rs=7× 105km為太陽半徑；1AU=1.58×108km為太陽與地球的平均距離；Re（λ）為地球?qū)μ柟庾V反射率。

進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的輻射能為：

其中，ω=0.23°為終端最大視場角；S0=0.07m2為入瞳面積。

經(jīng)計算，進(jìn)入系統(tǒng)的通信光和信標(biāo)光波段的地球背景輻射強度分別為0.5×10-14W和9.6×10-12W。遠(yuǎn)小于接收到信標(biāo)光和通信光的光功率（0.54× 10-9W和2.7×10-7W）。因此，激光通信系統(tǒng)遮光罩設(shè)計時無需考慮對背景光的抑制。

2.2太陽輻射

根據(jù)地球同步軌道衛(wèi)星的軌道特性，太陽南北方向與赤道面夾角在-23.5°～23.5°范圍內(nèi)隨季節(jié)一年變化一個周期，東西方向上隨地球自轉(zhuǎn)一天變換一個周期［7］。GEO激光通信系統(tǒng)主要對地面站進(jìn)行通信，其視軸基本指向地面并與地球做同步轉(zhuǎn)動，所以其視軸與太陽的夾角變化也與地球自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)的周期一致。

GEO激光通信光端機受地球反照輻射和地球紅外輻射較小，系統(tǒng)接受到的空間外熱流主要是太陽輻射，利用IDEAS分析了圖1所示主光學(xué)系統(tǒng)各面在春分、夏至、秋分和冬至?xí)r的太陽輻射熱流密度。從分析可知：（1）激光通信系統(tǒng)存在午夜入侵現(xiàn)象，秋分時輻射熱流強度最大，約為1345w/m2；（2）處于運行方向的+/-x面常年交替受到太陽照射；正在受照的+x面或-x面的輻射熱流逐漸減小的同時，作為光學(xué)系統(tǒng)元件主鏡、次鏡所處的+z方向受到的太陽輻射逐漸增加；（3）+/-y面分別在冬至、夏至?xí)r節(jié)受到全周期的太陽輻射，春分、秋分時不受輻射；（4）春分、秋分時節(jié)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)入地影區(qū)時間最長，約為72分鐘。（5）當(dāng)太陽與赤道夾角小于8.8°時，激光通信系統(tǒng)受到地球遮擋，無太陽光照射。

太陽光通過遮光罩進(jìn)入系統(tǒng)后，一方面遮光罩等受照升溫引起光學(xué)系統(tǒng)溫度上升，影響光學(xué)系統(tǒng)性能，造成通信質(zhì)量或可通率下降，該影響可以通過優(yōu)化設(shè)計遮光罩并結(jié)合主被動熱控予以解決［8］，圖2為某GEO激光通信系統(tǒng)分別采用600mm和1500mm長度遮光罩，在同等受照條件下主鏡溫度變化情況，可見遮光罩長度增加，主鏡最高溫度由約210℃下降為130℃，同時溫度超過溫控指標(biāo)（25℃）的時段由約1×104s下降為約0.4×104s，可見增加遮光罩長度對改善太陽輻射引起的光學(xué)系統(tǒng)溫度上升改善明顯，可以減輕溫控系統(tǒng)的壓力。

圖2　不同長度遮光罩GEO主鏡溫度變化

另一方面，太陽光與系統(tǒng)光軸夾角過小時，陽光會照射到系統(tǒng)光學(xué)主鏡，造成主鏡溫度過高或主鏡膜系損傷。主鏡受照時，系統(tǒng)只能中斷通信并轉(zhuǎn)動視軸方向規(guī)避太陽照射。本文的GEO激光通信系統(tǒng)，采用長度600mm遮光罩時，太陽入射角（陽光與天線光軸夾角）小于22.6°時，太陽光會直接照射到光學(xué)天線的主鏡上，太陽規(guī)避角（陽光與系統(tǒng)光軸夾角小于該角度時必須采取規(guī)避措施）為22.6時，GEO（東經(jīng)77度）對阿里地面站（北緯32°33′57.82″，東經(jīng)80°09′35.14″，海拔高度5036m）通信，全年共279天需采取太陽規(guī)避，占全年總天數(shù)的76.4%。系統(tǒng)規(guī)避太陽引起的全年不可通信時間約為36330分鐘，全年可通率93%，可見系統(tǒng)的太陽規(guī)避對系統(tǒng)的可通率有嚴(yán)重的影響。表1為規(guī)避角為22.6°時系統(tǒng)規(guī)避太陽造成的全年各月不可通時間分析結(jié)果。

3　遮光罩長度對太陽規(guī)避引起可通率下降的影響

通過增加遮光罩的長度可以有效減小系統(tǒng)的太陽規(guī)避角，減少系統(tǒng)太陽規(guī)避引起的不可通時間，提高系統(tǒng)可通率，增強GEO激光通信系統(tǒng)的可用性。

遮光罩長度對太陽規(guī)避角的影響成簡單的幾何關(guān)系，即：

式中，at為太陽規(guī)避角，D為主鏡直徑，L為遮光罩長度。

為了綜合考慮太陽光矢量隨地球公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)的變化、地影遮擋等影響，首先采用STK對全年東經(jīng)77度GEO對阿里地面站通信時太陽光軸與系統(tǒng)光軸的角度變化進(jìn)行了仿真。然后結(jié)合Matlab軟件對不同長度遮光罩下，系統(tǒng)全年太陽規(guī)避造成系統(tǒng)的不可通時間等進(jìn)行了分析并計算了可通率。

全年可通率=（全年時間—太陽直射時間）/全年時間×100%。

表1　采用600mm遮光罩時系統(tǒng)太陽規(guī)避造成的全年不可通時間

圖3　采用400mm遮光罩時系統(tǒng)3月不可通時間

圖4至圖7為不同遮光罩長度下系統(tǒng)全年通信中斷月數(shù)、全年不可通天數(shù)、全年最長不可通時段、全年不可通時間和全年不可通率變化情況。

圖4　不同長度遮光罩系統(tǒng)全年不可通天數(shù)

圖5　不同長度遮光罩系統(tǒng)全年最長不可通時段

圖6　不同長度遮光罩時系統(tǒng)全年不可通時間

圖7　不同長度遮光罩時系統(tǒng)全年不可通率

通過分析可見，隨著遮光罩長度的不斷增加，GEO激光通信系統(tǒng)太陽規(guī)避造成的通信中斷對可通率的影響成指數(shù)逐漸減小。遮光罩長度由600mm增加到2000mm時，全年通信中斷天數(shù)由280天，減小到76天；全年最大通信中斷時段由180分鐘，減小到50分鐘；全年不可通信時間由36330分鐘，減小1003分鐘；全年可通率由93.1%上升到99.8%。

4　增長遮光罩的方法

雖然增加遮光罩長度對系統(tǒng)通信系統(tǒng)性能改善明顯，但隨著長度的增加，遮光罩的固有頻率必然隨之下降。

圖8　不同長度遮光罩時遮光罩比剛度

如圖8為采用碳纖維材料通光孔徑252mm的圓筒形遮光罩（未輕量化）單位重量下的比剛度變化情況。由圖8可見，隨著遮光罩長度的增加，其比剛度快速下降，尤其當(dāng)長度大1000mm后，比剛度驟然降低。由于衛(wèi)星發(fā)射時對激光通信系統(tǒng)的諧振頻率有較高的要求，在采用傳統(tǒng)遮光罩時，其系統(tǒng)剛度和重量會嚴(yán)重限制遮光罩的長度。因此出現(xiàn)了可展遮光罩、內(nèi)部異形表面遮光罩、增加內(nèi)部柵板的遮光罩多種改進(jìn)型遮光罩，以解決外部因素對遮光罩性能的限制。

理論上遮光罩越長效果越好，但可展遮光罩壓縮后的外包絡(luò)尺寸受到火箭整流罩的限制，間接限制了可展長度，同時需要滿足發(fā)射時系統(tǒng)固有頻率的要求；其次，經(jīng)過模態(tài)分析后遮光罩在收縮與展開狀態(tài)下分別對應(yīng)的固有頻率會受到系統(tǒng)諧振頻率的限制，本文中的可展遮光罩需要滿足 f1≥150Hz（f1為收縮時的一階固有頻率），f2≥50Hz（f2為展開后的一階固有頻率）；展開后的結(jié)構(gòu)主要受到伺服帶寬對結(jié)構(gòu)頻率的要求，使得遮光罩保證一定的剛度；綜上，在設(shè)計時要根據(jù)任務(wù)要求綜合考慮遮光罩的壓縮長度、體積重量以及剛度的參數(shù)對遮光罩長度進(jìn)行綜合優(yōu)化。

表2　不同遮光罩形式對比

圖9　不同遮光罩形式

由表2可見，幾種形式的遮光罩各有優(yōu)缺點，骨架展開式遮光罩（圖9（a））折疊后尺寸小，重量輕，展開式后長度大［10］，但其必須采用柔性遮光材料，限制了其內(nèi)外表面設(shè)計的靈活性，同時由于骨架存在鉸鏈結(jié)構(gòu)，因此其結(jié)構(gòu)剛度不易保證；套筒展開式結(jié)構(gòu)（圖9（b）），采用多層嵌套的筒狀遮光罩逐級展開的結(jié)構(gòu)形式［11］，由于各級采用硬質(zhì)材料遮光罩，其表面可設(shè)計性較好，同時各級展開并采取鎖緊措施后結(jié)構(gòu)剛度要優(yōu)于骨架展開式，但其整體重量、折疊后尺寸較大；內(nèi)部具有異形表面的遮光罩（圖9（c））可以大大提高照射到內(nèi)表面上陽光的反射率，將大部分太陽照射能量反射出去，有利于減小系統(tǒng)溫升［12］，但該種遮光罩長度有限，無法改善系統(tǒng)太陽規(guī)避等影響；具有內(nèi)部柵板式的遮光罩（圖9（d））是根據(jù)特定使用條件下的光學(xué)系統(tǒng)特點設(shè)計的新型遮光罩，其在不增加外包絡(luò)尺寸的前提下減小系統(tǒng)太陽規(guī)避角度效果明顯，可以起到與展開式遮光罩相同的作用，但該遮光罩只適用于特定系統(tǒng)，應(yīng)用場合有限，同時該種遮光罩尚處于理論研究階段，尚無應(yīng)用實例，需進(jìn)一步開展工程化研究。

5　結(jié)論

根據(jù)某GEO對地激光通信系統(tǒng)的光學(xué)天線和軌道參數(shù)等指標(biāo)，對采用不同長度遮光罩時系統(tǒng)可通率變化的分析表明，增加遮光罩長度可以大幅提高可通率，但遮光罩比剛度會嚴(yán)重下降，降低遮光罩結(jié)構(gòu)頻率，增加重量。在工程化設(shè)計時必須結(jié)合具體要求，綜合設(shè)計遮光罩長度。對現(xiàn)有遮光罩形式分析表明，各形式遮光罩各有優(yōu)缺點，需根據(jù)實際工程要求具體設(shè)計。其中針對GEO對地激光通信系統(tǒng)，具有內(nèi)部柵板的遮光罩具有明顯的優(yōu)勢，有必要開展進(jìn)一步的研究。

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The Influence of Baffle for Available Probability of GEO Laser Communication System

ZHOU Xinhong1，2，LI Xiaoming2，HAN Cheng3，ZHANG Lizhong2，KANG Yiding4
（1.School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.National and Local Joint Engineering Research Center of Space Optoelectronics Technology，Changchun 130022；3.School of Computer Science and Technology，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；4.School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

GEO to ground laser communication is characterized by high speed，security.The optical antenna of GEO laser communication system exposes outside of satellite.Solar radiation unable to avoid，it affects the optical system seriously，reduces available probability.Analyze the effect of these factors for available probability and emphasize analysis the effect of baffle’s length.The results show that，increase the length of baffle can increase the available probability. The paper hood length determination and in the engineering qualification.Then in order to optimize the design of baffle GEO laser communication systems summarizes the baffle structure form，provide support for increase the performance of baffle.

available probability；baffle；laser communication；solar radiation

TN929.13

A

1672-9870（2015）05-0039-05

2015-06-30

國家“863”項目（2013221611009）

周鑫弘（1990-），女，碩士研究生，E-mail：874573364@qq.com

張立中（1968-），男，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：zlzcust@126.com