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星间激光通信链路(SPIE2009)doc

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  5.6Gbps星间激光通信链路 摘要:5.6Gbps的激光通信链路已经在空间轨道上得到证实。该星际链路,采用零差BPSK通信方式传输数据,其通信速率可以达到5.6Gbps,并且其误码率小于10E-9,完成了两个LEO卫星之间通信,这两个卫星分别是美国的NFIRE和德国的TerrSAR-X。本文阐述了该光端机和链路的性能以及其测试方法。正如在展望里提到的飞行单元可以适应于LEO—GEO星际链路。Tesat公司正在建设和研制地面站,来完成GEO对地通信链路。 关键词:光端机;激光通信;激光;二进制相位键控;星间激光通信链路; 引言 通过比较无线电射频通信和激光通信,可以得到如下结论:无线激光通信可以提供更高的通信速率、更广泛的通信链路范围、更小的尺寸体积、更小的重量等。其主要因素是因为以光作为载波拥有更高的频率,即其光载波的频率比射频载波频率高出四个数量级。还有一个额外的好处,其激光链路的光束不存在相互干扰的问题。其提供了更安全的通信方式,并且不受国际电信联盟限制。采用零差BPSK相干激光通信技术有以下几点优势: 零差相干探测的空间滤波器成圆锥形(为了使孔径可以做的尽量小) 其中频被锁相环滤除(其光学镀层有更多的选择) 其信号幅度也得到利用 零差BPSK是滤除噪声能量非常有效地方法,甚至允许在太阳光所覆盖的领域进行链路通信。其商业计划如CELESTRI 和TELEDESIC一样,需要针对太阳干扰问题做出很多的技术突破,并且研制相应的激光通信终端机。 TESAT公司为了研制用于星际链路间的光端机已经在空间激光通信领域研究超过二十多年,一些相应的产品已经有了较为广泛的市场空间。TESAT公司已经负责研制了SILEX激光通信光端机的一个子系统,并且在2001年的在轨试验中取得了成功。TESAT公司已经证实了2005年零差BPSK通信方式是一种强大的地面通信方案,并且在在加那利群岛 在2007年完成了卫星的无信标光捕获和手动相干激光通信光端机的跟踪实验。这为在LEO星间实现5.6Gbps的全双工的零差相干无线激光通信提供了前提条件。其光端机适用于LEO卫星。一个光端机被安置在德国的TerrSARX上,另一个被安置在美国的NFIRE卫星上。 激光通信终端 该光端机的主要用途是为了在星际链路中实现全双工无线激光通信链路,其每个光端机被搭载带各自的卫星上,其通信方式采用二进制数字通信方式,其光学材料选用的是碳化硅。采用相同的收发光学结构来完成通信的发射与接收。 如图1所示展示了相干激光通信的光端机的设计原理图。其接口都受卫星限制,机械与电子接口需要符合卫星的接口标准。 光端机的设计结构是基于中心矩形结构,其粗指向的接收结构由碳化硅面设计。其系统单元包括光学接收/发射组件,伺服机械组件等。粗跟踪的设计是为了解决半球跟踪难题。 图1 LCT主要结构和主要组成部分 光端机的主要技术参数: 光学发射功率 0.7瓦 望远系统的口径为 124毫米 数据率 5.625Gbps 所有的光学系统都采用碳化硅来设计,其机械的装调和安装并不必须按照碳化硅的级别进行光端机的装调与校正,其装调的精度可以通过在轨软件进行检测。其四个指教通过热磁补偿结构来补偿光端机与碳化硅之间的压力变化。这些支脚相互孤立补偿载体的晃动。 电子接口的功能: 接收数据和发送数据 总线 TM/TC 温度控制 相位恢复 空间捕获通过对信标光的瞄准来完成目标的捕获,即用通信光代替大功率的信标光。其捕获过程如图2所示。两个光端机需要知道对方大致的方位,可以将不确定区域控制在2500个微弧度。从而完成初始的捕获与指向。捕获的第一个阶段是工作在主从模式,主光端机主动扫描从光端机,知道光端机A扫描到光端机B则就开始调整自身姿态,使两个光端机之间保持在一个小角度误差。粗捕获的第二个阶段则是一个目标选择过程,光端机A根据光端机B的扫描波前被动调整自身姿态,这种扫描对对准方式速度最快。在最后的捕获阶段光端机之间调整自身的平行度,这种光束的扫描与对准直到跟踪锁定后才停止。 图2 捕获过程图 3在轨验证 图3展示了光端机在TerraSAR-X 卫星上的安装状态。在右手边的图展示了光端机的大体轮廓和粗指向的单元。装载在NFIRE上的光端机可以完成星际链路和星地链路。 图3 光端机飞行单元 左图:已经装配好的TerrSAR-X 右图:正在集成组装中的TerraSAR-X 自从2008年2月以来两个TESAT公司的光端机被安置在TerraSAR-X和NFIRE两个卫星上,完成星际链路通信,并且在这期间还额外做了几次运动试验。该光端机的跟踪与捕获算法可以根据不同运行轨道而自我改变与自我更新。其初始捕获可以在40秒到50秒内完成,在完成初始捕获后,便可以在二十秒内完成通信所需要的一系列程序。 高速的捕获实验对于军用和民用客户的需求是非常重要的。这一系列试验和结果足以使用欧空局选用TESAT公司的光端机来实现星间链路和星地链路计划从而实现欧洲数据中继卫星系统。这有利于欧空局使用更广的波段来完成GEO对地面的中继,从而避免了Ka波段和X波段所存在的技术瓶颈。 第一个星间链路在太平洋中部和美国中部展开通信,其链路距离在3700公里至4700公里范围内变化。其最大变化速度是8500m/s(如图5所示)。空间捕获不确定度锥角范围为530微弧度至1000微弧度。在通信的133秒内,其误码率小于10E-9,直至光端机离开粗跟踪视场。其链路的稳定度如图6所示,随着海拔高度降低其稳定下降直至海拔高度降低到30km时其跟踪失效,这意味着当链路海拔较低时,大部分的链路轨迹将需要穿过大气从而影响指向效果。 图4 2008年二月TerrSARX-X和NFIRE两颗星间光学通信 图5 两颗激光通信卫星相对距离与范围变化趋势 图6在不同海拔高度的星际链路轨迹 第二个星际链路在南极附近被建立起来如图4所示。在该实例中的链路距离的变化范围是3700公里至4875公里其范围最大变换速率为7200m/s如图5所示。LCT的通信时间为190s。 空间捕获开始10秒后其搜索不确定区域为745微弧度至1000微弧度。两个激光系统在29秒内可以完成零差探测的BPSK的相位锁定。通信和数据传输得到误码率低于10E-9,直到光端机超出视场范围。链路轨迹应尽量在20公里以上,尽量避免大气对链路的影响。如图7所示。两颗卫星组成的链路的方位与海拔相对时间轨迹。 图7 4 下一步激光通信的展望 随着无线激光通信链路的数据传输速率达到5.6Gbps被广泛报道,标志着该光端机成为了空间领域的一个新的里程碑。该无线激光通信终端与射频通信相比其主要优势在于其通信速率远远高于1Gbps,并且通过在轨试验已经得到证实。在短期内最可能实现的功能便是中继通信,即LEO对GEO对地面。该技术可以直接增加卫星与地面的通信能力。德空局计划将该星间无线激光通信技术拓展至GEO对GEO和GEO对地链路。这种GEO光端机的通信速率的设计指标为1.8Gbps,通信距离为45000公里。 如图8所示便是TESAT公司正在建设这的激光通信终端网络,其中包括Ka波段通信连路。 其短期目标是实现LEO对GEO激光通信链路和LEO对地面站链路。其中包括射频部分。战略目标是将空间激光链路网络化,但其必须有可靠地GEO光端机,其光端机需要有GEO对GEO通信功能和GEO对地通信功能。为了可以做上述实验则需要在德国的巴柯南建立一个地面站。如图9所示,该地面站由TESAT公司建设由德国宇航局给予资助。该地面站将要参与LEO对地面的通讯实验(还是由美国和德国合作)但是欧空局也要通过仿制其光学系统做类似的通信实验。 图9 德国南部的激光地面站 5.总结 随着两个TESAT的光端机在TerraSAR-X和NFIRE上成功实现了星际链路的零差BPSK相干激光通信。其通信链路的通信速率紧接5.6Gbps,通信距离接近5000km并且其误码率小于10E-9.其链路的建立时间小于20s,这20s包括捕获时间和激光相位锁定。其光端机的设计优化周期变短,和卫星的发射成本降低,从而TESAT公司的光端机适用于星际网络系统的设计与运行。

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