微小衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)分析

李 靜

（中國(guó)鐵塔股份有限公司云南省分公司，云南 昆明 650000）

0 引 言

重量小于1 000 kg的人造衛(wèi)星被統(tǒng)稱為“微小衛(wèi)星”，按照由大到小的排序，可以依次劃分為小衛(wèi)星、微衛(wèi)星以及納衛(wèi)星等。衛(wèi)星研發(fā)時(shí)間短，且成本低。微小衛(wèi)星組成衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)通信、測(cè)距以及遙感等功能，在空間信息網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。微小衛(wèi)星可以提供低成本、低延遲、高速度服務(wù)，因此在衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)中的價(jià)值較高。在衛(wèi)星技術(shù)和航天發(fā)射技術(shù)支持下，微小衛(wèi)星系統(tǒng)部署規(guī)模擴(kuò)大。然而在部署規(guī)劃時(shí)，對(duì)星間、星地互聯(lián)數(shù)據(jù)參數(shù)要求嚴(yán)格，且還會(huì)受到微小衛(wèi)星載荷尺寸、功能消耗以及質(zhì)量成本的限制影響[1]。當(dāng)通信鏈路類型不同時(shí)，則節(jié)點(diǎn)激光通信系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)與功能用途也不同。

1 微小衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)

1.1 光通信與傳感演示衛(wèi)星

通過光通信與傳感演示衛(wèi)星可以演示小衛(wèi)星激光通信全過程，提供高速率數(shù)據(jù)通信，驗(yàn)證星地通信效果。光通信與傳感演示衛(wèi)星由于姿態(tài)控制系統(tǒng)問題，無(wú)法測(cè)試星上激光通信載荷。在試驗(yàn)測(cè)試中，加強(qiáng)衛(wèi)星對(duì)地下行的通信能力，當(dāng)無(wú)糾錯(cuò)條件時(shí)，誤碼率達(dá)到 1.0×10-6。

1.2 CLICK-B/C系統(tǒng)

由美國(guó)麻省理工學(xué)院、佛羅里達(dá)大學(xué)、美國(guó)航空航天局埃姆斯研究中心聯(lián)合研制的CLICK 系統(tǒng)，用于驗(yàn)證星間、星地激光通信[2]。CLICK-B/C系統(tǒng)包含光學(xué)與電子學(xué)部分，驗(yàn)證星間、星地激光通信。其上部分為光學(xué)系統(tǒng)，下部分為電子學(xué)系統(tǒng)，外形尺寸為96 mm×96 mm×147 mm。激光終端以衛(wèi)星作為粗指向機(jī)構(gòu)，通過星歷數(shù)據(jù)求解衛(wèi)星開環(huán)粗指向，精指向機(jī)構(gòu)為快速反射鏡。CLICK-B/C終端設(shè)計(jì)應(yīng)用信標(biāo)光、信號(hào)光，粗跟信標(biāo)光收發(fā)分立設(shè)計(jì)，發(fā)射角為22.2°，發(fā)射功率為250 mW。信標(biāo)光接收包括粗跟位置解算、精跟位置解算，前者需要使用分立鏡頭，通光口徑為16.1 mm。利用面陣探測(cè)器，求解光斑位置[3]。信標(biāo)光精跟位置求解，需要使用四象限探測(cè)器，將四象限探測(cè)器作為位置傳感器，與信號(hào)光收發(fā)支路，共同使用開普勒10倍縮束望遠(yuǎn)系統(tǒng)，通光口徑為20 mm。

1.3 超小型激光發(fā)射模塊

超小型激光發(fā)射模塊可以驗(yàn)證星地激光通信。在超小型激光發(fā)射模塊體系中，包含VSOTA-COL和VSOTA-E，前者涉及到立體方、激光準(zhǔn)直發(fā)射部分，發(fā)射激光波長(zhǎng)為980 nm、1 540 nm。采用分立光路發(fā)射方案時(shí)，立體方用于裝星標(biāo)校。后者為激光二極管驅(qū)動(dòng)電氣部分，依賴于衛(wèi)星系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)激光指向功能[4]。

1.4 FITSAT-1

日本通過國(guó)際空間站，發(fā)射FITSAT微納衛(wèi)星，驗(yàn)證星地可見光通信。該衛(wèi)星表面裝載綠LED（50顆）陣列，下表面安裝紅LED（32顆）陣列，發(fā)射角為120°，波長(zhǎng)為520 nm，調(diào)制頻率為1 kHz，占空比為15%。紅燈功耗為15 W、綠燈功耗為30 W，軌道高度為400 m，通信速率為1～10 kb/s。

1.5 Mynaric CONDOR

CONDOR應(yīng)用到星間雙向通信中，涉及到電子學(xué)、光學(xué)系統(tǒng)、CPA理論[5]。光路組件涉及到望遠(yuǎn)鏡、提前瞄準(zhǔn)機(jī)構(gòu)、窄帶濾光片、跟蹤探測(cè)器，發(fā)射準(zhǔn)直、接收單元。

2 微小衛(wèi)星激光通信關(guān)鍵技術(shù)

2.1 星間同軌激光通信終端輕小型化

星間同軌道場(chǎng)合下，按照軌道高度、軌道面衛(wèi)星數(shù)量的不同，可以將通信距離設(shè)置為4 000 m。按照衛(wèi)星狀態(tài)，光束粗指向范圍在5°以內(nèi)。為了確保星間互聯(lián)互通效果，衛(wèi)星安裝終端數(shù)量為2～3顆，終端質(zhì)量小于8 kg。發(fā)射接收采用光譜分光方案，為了實(shí)現(xiàn)輕小型效果，控制系統(tǒng)規(guī)模，不僅要考慮高集成度電子學(xué)系統(tǒng)，還需要優(yōu)化跟瞄機(jī)構(gòu)，控制光學(xué)支路數(shù)量[6]。同軌終端CPA為擺鏡，可以修正初始瞄準(zhǔn)指向偏差、光束慢速漂移。擺鏡設(shè)置在終端望遠(yuǎn)鏡前端，鏡面尺寸大。精跟探測(cè)器分辨率高，可以為FPA提供位置反饋，以此確保跟瞄精度。注重優(yōu)化CPA，滿足偏轉(zhuǎn)角度要求，全面提升諧振頻率，獲得系統(tǒng)高閉環(huán)帶寬。盡管鏡面尺寸大，運(yùn)動(dòng)范圍廣，較高諧振頻率與分辨率高，但是必須降低系統(tǒng)運(yùn)行功耗，全面提升分辨率。注重優(yōu)化FPA，滿足諧振頻率、分辨率要求，增加偏轉(zhuǎn)角度，確保終端獲得高光束指向范圍。機(jī)構(gòu)要點(diǎn)在于增加偏擺角度，獲得高分辨率，維持鏡面尺寸，滿足光學(xué)縮束、裝調(diào)要求。當(dāng)應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)通信速率要求較低時(shí)，融合光斑位置探測(cè)支路、通信支路能夠?qū)崿F(xiàn)小型化設(shè)計(jì)，減少光學(xué)分路、分光組件數(shù)量[7]。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，對(duì)探測(cè)器響應(yīng)、電子學(xué)處理系統(tǒng)提出較高要求。

2.2 星間異軌激光通信終端輕小型化

與同軌通信場(chǎng)合相比，星間異軌復(fù)雜，通信對(duì)象為同星座、異星座衛(wèi)星，軌道高度從低軌道到高軌道，通信距離長(zhǎng)，可以達(dá)到3 000～36 000 km。微小衛(wèi)星平臺(tái)，對(duì)終端質(zhì)量的約束限制大，低于20 kg。異軌終端CPA是大角度擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，通信距離比較遠(yuǎn)，望遠(yuǎn)鏡通光口徑大，達(dá)到140 mm。通信雙端距離遠(yuǎn)，便于搜索和捕獲。為了縮小系統(tǒng)規(guī)模，不僅要分析高集成度電子學(xué)系統(tǒng)，還要縮小光機(jī)尺寸與重量[8]。

在星間異軌終端中，包含F(xiàn)PA與CPA。通過CT sensor可以為CPA提供位置反饋。優(yōu)化設(shè)計(jì)粗精探測(cè)器，可以簡(jiǎn)化位置探測(cè)步驟，但是需要捕獲大視場(chǎng)，滿足精跟環(huán)節(jié)分辨率要求。如何對(duì)應(yīng)粗精跟執(zhí)行結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)解耦，與粗精跟位置反饋頻率要求匹配，已經(jīng)成為重點(diǎn)研究問題。在異軌終端結(jié)構(gòu)中，CPA、望遠(yuǎn)鏡占比大，確保通信口徑有效性，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，促進(jìn)輕小型化發(fā)展。該項(xiàng)技術(shù)可以通過信號(hào)光掃描不確定區(qū)域，借助信號(hào)光位置探測(cè)支路，捕獲不確定區(qū)域[9]。通過CPA、FPA，能夠?qū)崿F(xiàn)掃描頻率與角度互補(bǔ)，確保區(qū)域掃描高效性。實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)射束散角、接收視場(chǎng)角，提升雙向捕獲效率。

2.3 星地通信大氣影響抑制技術(shù)

針對(duì)星地激光通信鏈路，大氣會(huì)影響激光傳輸，尤其是漂移、閃爍以及衰減等，會(huì)導(dǎo)致激光光束質(zhì)量裂化，加大接收端光功率起伏度，還會(huì)增加接收光功率，加劇光學(xué)接收支路調(diào)光難度，無(wú)法有效提取和處理退化光斑位置。此外，技術(shù)應(yīng)用期間會(huì)降低跟瞄精度，影響通信質(zhì)量，縮短通信距離。在規(guī)劃星地激光通信鏈路時(shí)，大氣屬于重要影響因素，擴(kuò)大接收光學(xué)天線口徑，合理應(yīng)用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，能夠?qū)Υ髿庥绊懏a(chǎn)生抑制作用。然而不同地域、不同氣候環(huán)境的大氣變化多，所以在應(yīng)用大氣影響抑制技術(shù)時(shí)，必須持續(xù)進(jìn)行更新和改進(jìn)。

3 微小衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

3.1 衛(wèi)星演示驗(yàn)證向工程應(yīng)用轉(zhuǎn)變

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外空間信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)展速度快，各星族多由低軌道微小衛(wèi)星組成，并且將激光通信作為骨干傳輸鏈路。太空互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中，軍用與民用都會(huì)加快微小衛(wèi)星激光通信技術(shù)發(fā)展的速度，縮短演示驗(yàn)證到工程應(yīng)用的轉(zhuǎn)變時(shí)間。

3.2 終端雙向傳輸能力需求

衛(wèi)星業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛?，建設(shè)微小衛(wèi)星星座，具備中繼數(shù)據(jù)傳輸能力。在星間傳輸數(shù)據(jù)信息，確保衛(wèi)星數(shù)據(jù)向地下傳輸[10]。星載激光通信終端具備雙向數(shù)據(jù)傳輸能力，可以應(yīng)用到微小衛(wèi)星場(chǎng)合。高度匹配收發(fā)速率能夠保障中繼效率，所以激光終端具備全雙工、高速率通信優(yōu)勢(shì)。

3.3 單點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信能力需求

在天基通信網(wǎng)絡(luò)中，激光通信技術(shù)應(yīng)用廣泛，激光通信組網(wǎng)成為發(fā)展趨勢(shì)。但是，受到激光發(fā)散角、空間環(huán)境以及動(dòng)態(tài)接入影響，激光通信采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)互聯(lián)方式組建衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，單個(gè)衛(wèi)星裝設(shè)多個(gè)激光通信終端。由于受到微小衛(wèi)星平臺(tái)資源影響，在處理上述問題時(shí)必須注重質(zhì)量功能消耗優(yōu)化，確保其達(dá)到Swap水平。注重動(dòng)態(tài)路研究，處理好接入問題，深入分析激光終端單元中，加強(qiáng)單點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信能力。針對(duì)瞄準(zhǔn)星間組網(wǎng)，一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)目標(biāo)，可以提供全新思路。在系統(tǒng)發(fā)展中，通過快速反射擺掃，可以覆蓋光學(xué)空間錐角，拼接多個(gè)發(fā)射接收單元，形成陣列球型。系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)包括通信距離、通信速率、波長(zhǎng)、發(fā)射功率等。

3.4 整機(jī)國(guó)產(chǎn)化能力需求

微小衛(wèi)星激光通信終端涉及到瞄準(zhǔn)、光電位置、跟蹤以及調(diào)制解調(diào)等。單元組件包含光學(xué)元件、測(cè)角組件、電機(jī)、光斑位置解算，信號(hào)處理組件。研究機(jī)構(gòu)注重組件國(guó)產(chǎn)化研究，不僅局限在組件國(guó)產(chǎn)化，同時(shí)表現(xiàn)在器件國(guó)產(chǎn)化。

3.5 批量生產(chǎn)與低成本能力需求

在未來發(fā)展中，對(duì)微小衛(wèi)星激光通信終端需求量高，發(fā)射組網(wǎng)規(guī)劃時(shí)必須縮短生產(chǎn)周期。深入分析上述要求，科學(xué)研制微小衛(wèi)星激光通信終端，加強(qiáng)批量化生產(chǎn)能力，降低終端研制成本，確保SWP-AC形成貨架產(chǎn)品。

4 結(jié) 論

空間激光通信技術(shù)功能消耗低、傳輸速率高、質(zhì)量體積小，能夠有效抵抗干擾影響，滿足高通量衛(wèi)星星座對(duì)星間、星地?cái)?shù)據(jù)傳輸要求。微小衛(wèi)星間采用激光通信方式實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，建立激光通信網(wǎng)絡(luò)，值得推廣應(yīng)用。