一對(duì)多激光通信技術(shù)在編隊(duì)飛行星座中的應(yīng)用

江倫，李娜，付強(qiáng)，王超，劉壯，李英超，張立中，姜會(huì)林

（1.長春理工大學(xué)空地激光通信技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，長春 130022；2.長春獅凱科技產(chǎn)業(yè)有限責(zé)任公司，長春 130022）

一對(duì)多激光通信技術(shù)在編隊(duì)飛行星座中的應(yīng)用

江倫1，李娜2，付強(qiáng)1，王超1，劉壯1，李英超1，張立中1，姜會(huì)林1

（1.長春理工大學(xué)空地激光通信技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，長春 130022；2.長春獅凱科技產(chǎn)業(yè)有限責(zé)任公司，長春 130022）

基于旋轉(zhuǎn)拋物面基底的多反射鏡拼接光學(xué)天線，提出一種一對(duì)二激光通信組網(wǎng)方案，并對(duì)系統(tǒng)工作過程進(jìn)行了分析，對(duì)星間激光通信鏈路進(jìn)行了功率裕量計(jì)算。分析結(jié)果表明：一對(duì)二激光通信距離達(dá)200km，通信速率為2.5Gbps。該方案可為編隊(duì)飛行星座內(nèi)通信組網(wǎng)提供了一種新的技術(shù)途徑。

編隊(duì)飛行；一對(duì)多激光通信；通信網(wǎng)絡(luò)

編隊(duì)飛行星座是指以某一主星為基準(zhǔn)，旁邊有多顆衛(wèi)星圍繞主星飛行的星群，它們飛行時(shí)組成特定的編隊(duì)，以分布方式構(gòu)成一個(gè)“虛擬大衛(wèi)星”［1］，每顆衛(wèi)星之間通過星間通信相互聯(lián)系、協(xié)同工作來實(shí)現(xiàn)信息采集、處理和有效載荷任務(wù)，其實(shí)質(zhì)上構(gòu)成一個(gè)滿足任務(wù)需要的規(guī)模較大的虛擬傳感器或探測器。與傳統(tǒng)的大衛(wèi)星相比，編隊(duì)飛行星座內(nèi)衛(wèi)星具有體積小、研制靈活、發(fā)射成本低和抗干擾與抗摧毀能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［2］。

自上世紀(jì)九十年代以來，美國等航天大國非常重視編隊(duì)飛行技術(shù)，開展了多項(xiàng)編隊(duì)飛行衛(wèi)星計(jì)劃。NASA和美國國防部1998年啟動(dòng)大學(xué)納衛(wèi)星計(jì)劃，由10所大學(xué)提出5項(xiàng)納衛(wèi)星編隊(duì)飛行計(jì)劃，其首顆對(duì)地觀測衛(wèi)星（Earth Observing-1）于2001年11月21日發(fā)射，與已在軌的對(duì)地觀測衛(wèi)星進(jìn)行編隊(duì)飛行。此外，美國的“天基雷達(dá)監(jiān)視計(jì)劃”基本配置由24顆低軌衛(wèi)星和三顆備份星組成星座，24顆衛(wèi)星組網(wǎng)形成8個(gè)軌道平面，每一軌道平面上有3顆衛(wèi)星。我國也在編隊(duì)飛行衛(wèi)星上開展了相關(guān)工作，如“實(shí)踐五號(hào)”，“清華一號(hào)”都已成功發(fā)射［3］。編隊(duì)飛行星座內(nèi)衛(wèi)星之間需進(jìn)行通信以實(shí)現(xiàn)星間的信息傳輸與交換。如飛行主星將系統(tǒng)定時(shí)、頻標(biāo)和控制指令、交換信息傳送給編隊(duì)飛行子星，編隊(duì)飛行子星把子星傳感器采集的信息傳給編隊(duì)飛行主衛(wèi)星。目前編隊(duì)飛行星座內(nèi)衛(wèi)星之間通信多采用微波通信，如“銥”衛(wèi)星系統(tǒng)中每顆星均可以和前后2顆以及左右2個(gè)軌道面上的4顆衛(wèi)星進(jìn)行通信，通信速率為200Mbps，使用的即是微波通信技術(shù)。但未來的星間高速數(shù)據(jù)傳輸需求會(huì)越來越高，微波通信由于頻帶受限導(dǎo)致通信速率低、易受電磁干擾等缺點(diǎn)很難滿足要求，激光通信具有高帶寬、高傳輸速率等優(yōu)點(diǎn)，可有效克服微波傳輸存在的上述問題［3-7］，是編隊(duì)飛行星座內(nèi)通信的最佳技術(shù)途徑。

但傳統(tǒng)的激光通信是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)單一通信模式，星座內(nèi)衛(wèi)星之間進(jìn)行激光通信需要實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)激光通信，以便在星座內(nèi)構(gòu)建空間激光通信網(wǎng)絡(luò)。美國2001年提出了“TSAT（transformational satellite communication system）”計(jì)劃［8］，其中的激光通信即是一對(duì)多，預(yù)計(jì)通信速率10-40Gbps，日本提出激光與微波通信相結(jié)合的雙層低軌道（700和2000公里）全球通信組網(wǎng)方案［9］，其上層采用激光通信，下層微波網(wǎng)方案，但均沒有見到一對(duì)多激光通信技術(shù)的具體報(bào)道。美國Ernest Clarke等人提出一種高軌衛(wèi)通信衛(wèi)星與多個(gè)低軌用戶星同時(shí)進(jìn)行空間激光通信的方案［10，11］，高軌激光通信載荷采用透射式鏡頭作為激光通信光學(xué)天線，視場可實(shí)現(xiàn)對(duì)低軌用戶星全覆蓋，通過在天線焦平面上移動(dòng)探測器實(shí)現(xiàn)與對(duì)應(yīng)低軌用戶星的通信，未見后續(xù)試驗(yàn)報(bào)道。國內(nèi)姜會(huì)林團(tuán)隊(duì)提出以旋轉(zhuǎn)拋物面為基底的多反射鏡拼接結(jié)構(gòu)作為光學(xué)天線的方案［12，13］，并實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)“一對(duì)二”同時(shí)激光通信，通信速率達(dá)到2.5Gbps，通信范圍方位為360°，俯仰為38°。

本文針對(duì)某編隊(duì)飛行星座內(nèi)高速率通信的需求，分析該編隊(duì)飛行衛(wèi)星鏈路特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行了鏈路設(shè)計(jì)，采用新的思路解決該編隊(duì)飛行星座內(nèi)的通信組網(wǎng)難題。

1 編隊(duì)飛行星座軌道特性分析

編隊(duì)飛行星座為三星星座，分布在兩個(gè)同高度、交角很小的軌道上，軌道高度為1000km，衛(wèi)星A、B在同一軌道上，相對(duì)位置固定，衛(wèi)星C在另一條軌道上，該編隊(duì)飛行星座的軌道示意圖如圖1所示，其運(yùn)動(dòng)軌跡如圖2所示。衛(wèi)星A、B與衛(wèi)星C的運(yùn)動(dòng)軌跡有交叉，不同時(shí)刻（T1時(shí)刻與T2時(shí)刻）的運(yùn)動(dòng)軌跡平面簡圖如圖3所示，衛(wèi)星A、B相對(duì)衛(wèi)星C的方位角度最大為±65°，俯仰角度最大為±15°（考慮衛(wèi)星高度漂移、姿態(tài)變化等因素）。

圖1 編隊(duì)飛行星座的軌道示意圖

圖2 編隊(duì)飛行星座的運(yùn)動(dòng)軌道示意圖

圖3 編隊(duì)飛行星座的運(yùn)動(dòng)平面軌跡簡圖

2 編隊(duì)飛行星座星間鏈路組成

多點(diǎn)間激光通信系統(tǒng)主要應(yīng)用于衛(wèi)星群間保密、實(shí)時(shí)通信，其特點(diǎn)是星群整體運(yùn)動(dòng)軌跡固定，群內(nèi)衛(wèi)星相對(duì)位置變化、且間距較近，衛(wèi)星借助一定的動(dòng)力條件維持自身編隊(duì)位置。衛(wèi)星群內(nèi)有三顆衛(wèi)星，一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)衛(wèi)星搭載“一對(duì)多”主光端機(jī)，稱為“主星”。另外兩個(gè)衛(wèi)星搭載從光端機(jī)，稱為“輔星”，則可實(shí)現(xiàn)三顆衛(wèi)星的“一對(duì)多”激光通信，通信鏈路如圖4所示。

圖4 多衛(wèi)星間激光通信鏈路示意圖

針對(duì)編隊(duì)飛行星座，以C為主星，則同軌道衛(wèi)星A、衛(wèi)星B為輔星。由于衛(wèi)星在不停的運(yùn)動(dòng)，不同時(shí)刻（T1時(shí)刻與T2時(shí)刻）主星C與輔星A、輔星B的相對(duì)位置發(fā)生變化，從而需要在動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下建立鏈路。建立的多點(diǎn)激光通信鏈路示意圖如圖5所示。主星C與輔星A、輔星B可同時(shí)進(jìn)行激光通信，且均為雙工通信。

圖5 編隊(duì)飛行星座內(nèi)激光通信鏈路示意圖

3 編隊(duì)飛行星座星間通信鏈路設(shè)計(jì)

3.1 主星激光通信系統(tǒng)方案

根據(jù)編隊(duì)飛行星座的鏈路特性分析與鏈路通信要求可知，主星激光通信系統(tǒng)需具備“一對(duì)二”激光通信的能力，其光學(xué)天線采用本文提出的以旋轉(zhuǎn)拋物面為基底的多反射鏡拼接結(jié)構(gòu)，其總體方案如圖6所示。整個(gè)光端機(jī)光學(xué)系統(tǒng)包含三個(gè)分系統(tǒng)，一是光學(xué)天線分系統(tǒng)，二是中繼光學(xué)分系統(tǒng)，三是后續(xù)子光路分系統(tǒng)。根據(jù)任務(wù)需求，任務(wù)確定為1對(duì)2通信，所以反射鏡的數(shù)量設(shè)為兩片，主光端機(jī)擬采用“一對(duì)二”同時(shí)發(fā)射一個(gè)信標(biāo)光和通信光的體制，還采用單探測器粗精復(fù)合探測技術(shù)，盡量減小體積、重量和功耗。

圖6 主星激光通信系統(tǒng)總體方案圖

主光學(xué)天線為保證能量接收效率，設(shè)計(jì)為以拋物面為基底的多反射鏡拼接結(jié)構(gòu)。每一塊反射鏡都由一個(gè)APT執(zhí)行機(jī)構(gòu)所控制，完成目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤和通信。不同軌道的信號(hào)光束，以不同入射角照射到多反射鏡拼接光學(xué)天線上，只有與入射光角度匹配的反射鏡能將光束在后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)視場范圍內(nèi)以平行光反射到中繼光學(xué)系統(tǒng)上，然后經(jīng)過中繼光學(xué)系統(tǒng)縮小了口徑，進(jìn)入到后續(xù)子光路分系統(tǒng)。后續(xù)子光路分系統(tǒng)中采用高陡度帶通濾光片，將進(jìn)入系統(tǒng)中的光進(jìn)行分離，使得進(jìn)入各子支路的光既包含800nm波段，又包含1550nm波段，其中800nm波段作為信標(biāo)光（信標(biāo)發(fā)射、接收），1550nm波段作為高速通信光（通信發(fā)射、接收）。主光端機(jī)采用廣播式信標(biāo)光與通信光發(fā)射；各支路采用大視場粗跟蹤，配合從光端機(jī)大束散角信標(biāo)光進(jìn)行雙向捕獲，待捕獲完成，穩(wěn)定粗跟蹤后，系統(tǒng)發(fā)射信標(biāo)光，從光端機(jī)再進(jìn)行捕獲、粗跟蹤、精跟蹤。最后實(shí)現(xiàn)雙向通信。

3.2 系統(tǒng)工作工程

系統(tǒng)工作過程如圖7所示。

圖7 一對(duì)多激光通信系統(tǒng)工作流程圖

（1）多點(diǎn)引導(dǎo)指向：借助GPS/INS確定各目標(biāo)的位置、姿態(tài)與運(yùn)動(dòng)軌道，調(diào)整主光端機(jī)的空間坐標(biāo)。激光通信終端根據(jù)通信指令，從休眠狀態(tài)進(jìn)入工作狀態(tài)。初步制定通信開始時(shí)間、通信持續(xù)時(shí)間；終端生成與掃描捕獲相關(guān)的各種控制參數(shù)；完成對(duì)各部分初始化工作，如粗跟蹤C(jī)CD相機(jī)需要設(shè)置控制命令參數(shù)、GPS測姿定位單元需要提前預(yù)熱準(zhǔn)備，信標(biāo)激光器需要提前開啟等。所有分系統(tǒng)和單元需要自檢工作，自檢工作完成后，方可正式進(jìn)行鏈路通信。

（2）多點(diǎn)捕獲對(duì)準(zhǔn)：根據(jù)多目標(biāo)的位置、姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌道，確定和粗調(diào)對(duì)應(yīng)的工作反射鏡，實(shí)現(xiàn)捕獲并對(duì)準(zhǔn)。從光端機(jī)啟動(dòng)粗信標(biāo)光，此信標(biāo)光的束散角取決于開環(huán)捕獲不確定區(qū)域；然后向主光端機(jī)發(fā)送【捕獲】命令；主光端機(jī)收到【捕獲】命令后以當(dāng)前的慣性空間為中心進(jìn)行3×3螺旋光柵掃描（從高概率向低概率掃描，減小捕獲時(shí)間），直到搜索到對(duì)方信標(biāo)光斑。

（3）粗跟蹤：使工作反射鏡的旋轉(zhuǎn)能跟上通信目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)及振動(dòng)與姿態(tài)變化，跟蹤精度達(dá)50μrad左右。如果捕獲成功，主光端機(jī)立即停止掃描狀態(tài)，進(jìn)入粗跟蹤狀態(tài)，并且保證可靠粗跟蹤，這就實(shí)現(xiàn)了主光端機(jī)的視軸對(duì)準(zhǔn)；向從光端機(jī)返回捕獲成功標(biāo)志位，然后主光端機(jī)啟動(dòng)信標(biāo)光，也實(shí)現(xiàn)了從光端機(jī)視軸的對(duì)準(zhǔn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)雙端光閉環(huán)跟蹤。

（4）精跟蹤：利用快速振鏡對(duì)跟蹤殘余誤差進(jìn)一步抑制，精跟蹤精度可達(dá)到5μrad。兩個(gè)光通信終端在動(dòng)態(tài)條件下實(shí)現(xiàn)可靠精跟蹤，并且可靠進(jìn)入精跟蹤視場，可任意時(shí)間啟動(dòng)精跟蹤。雙端可同時(shí)啟動(dòng)精跟蹤伺服單元，通過精跟蹤單元對(duì)粗跟蹤誤差進(jìn)一步抑制，直到跟蹤精度滿足通信要求為止。

（5）雙向通信：在穩(wěn)定跟蹤的前提下，實(shí)現(xiàn)雙向動(dòng)態(tài)通信。

3.3 通信鏈路功率計(jì)算

激光通信鏈路的功率分析是總體方案設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)?？臻g激光通信系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)也是能量/功率傳輸系統(tǒng)。

鏈路的傳輸方程皆可以用以下的通用表達(dá)式描述：

式中：Pr為探測器接收功率；Pt為發(fā)射光源的發(fā)射功率；Gt為發(fā)射光學(xué)天線增益；ηot為發(fā)射光學(xué)單元的效率；Lr為自由空間損耗；ηs為信道引起的功率損失；LAPT為APT對(duì)準(zhǔn)失配引起的功率損耗；Gr為接收光學(xué)天線增益；ηor為接收光學(xué)系統(tǒng)效率；ηα為實(shí)際束散角與衍射極限角的額外功率損耗。

根據(jù)系統(tǒng)通信要求及設(shè)計(jì)結(jié)果，系統(tǒng)鏈路距離為200km，主光端機(jī)光學(xué)天線口徑為200mm，由兩塊反射鏡組成，反射鏡等效面積為口徑80mm的反射鏡；從光端機(jī)口徑為150mm，系統(tǒng)通信速率為2.5Gbps，采用半導(dǎo)體外調(diào)制技術(shù)和EDFA高功率放大（5W），設(shè)計(jì)時(shí)留有3dB以上的裕量。

由此可見，該系統(tǒng)所確定的參數(shù)，在100～200Km可實(shí)現(xiàn)速率2.5Gbps、BER=10-7的通信，能夠滿足系統(tǒng)需求。

表1 主光端機(jī)發(fā)射-從光端機(jī)接收功率計(jì)算表

表2 從光端機(jī)發(fā)射-主光端機(jī)接收功率計(jì)算表

4 結(jié)論

未來編隊(duì)飛行星座內(nèi)通信亟需高數(shù)據(jù)傳輸能力、抗干擾性強(qiáng)的通信，同時(shí)要求在星座內(nèi)實(shí)現(xiàn)通信組網(wǎng)。激光通信具有高速數(shù)據(jù)傳輸與強(qiáng)抗干擾能力，但傳統(tǒng)的激光通信不能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)通信組網(wǎng)。本文在分析某編隊(duì)飛行星座的軌道特性和通信需求后，基于以旋轉(zhuǎn)拋物面為基礎(chǔ)的多反射鏡拼接光學(xué)天線，提出一種針對(duì)該編隊(duì)飛行星座的“一對(duì)二”激光通信組網(wǎng)方案，對(duì)系統(tǒng)工作過程進(jìn)行了分析，并對(duì)星間激光通信鏈路進(jìn)行了激光功率裕量計(jì)算。分析結(jié)果表明：該方案可實(shí)現(xiàn)編隊(duì)飛行星座內(nèi)“一對(duì)二”激光通信，通信距離達(dá)200km，通信速率2.5Gbps的技術(shù)指標(biāo)。

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Application of One-point to Multi-point Free Space Laser Communication Technology in Formation Flying Constellation

JIANG Lun1，LI Na2，F(xiàn)U Qiang1，WANG Chao1，LIU Zhuang1，LI Yingchao1，ZHANG Lizhong1，JIANG Huilin1
（1.Fundamental Science on Space-Ground Laser Communication Technolog Laboratory，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.Changchun Shikai Technology Industry Co.LTD，Changchun 130022）

A one point to multi point laser communication network scheme was put forward based on the optical antenna consisted of multi mirrors.And the working processe of the system is analyzed，then the laser communication link between the stars in constellation are analyzed.The analysis results show that the communication rate can reach up to 2.5Gbps，and the communication distance is 200km，which will provide a new technical way for communication network in formation flying constellation.

formation flight；one-point to multi-point laser communication；communication network

TN929.1

A

1672-9870（2016）06-0005-04

2016-09-05

國家自然科學(xué)基金（91338116）

江倫（1984-），男，博士，講師，E-mail：jlciomp@163.com