應(yīng)用于小行星勘測的激光通信系統(tǒng)

尚吉揚(yáng) 袁杰 于大海 張宇 鄭璧青

摘要：隨著深空探測技術(shù)的發(fā)展，小行星探測已成為21世紀(jì)深空探測的重要內(nèi)容之一。利用小型遙控探測器對小行星表面進(jìn)行考察過程中，傳輸高分辨率圖像和三維影像信號至地面是關(guān)鍵。如果能用激光進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信，可以縮小體積，提高速度及光束質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：激光通信;小行星探測;激光應(yīng)用

中圖分類號：TP391.41;V476 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）04-0015-01

0 引言

我們能夠建立一個(gè)激光通信系統(tǒng)，實(shí)行小行星勘測任務(wù)，為實(shí)時(shí)通信和3D高清晰度視頻提供更好的數(shù)據(jù)質(zhì)量。對于地面控制人員提供“網(wǎng)真技術(shù)”。

本文首先討論了激光通信技術(shù)的優(yōu)勢，調(diào)研了光通信技術(shù)研究進(jìn)展情況，初步探討了光通信技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)，為研究光通信系統(tǒng)走向?qū)嵱没峁┘夹g(shù)參考。

1 激光通信系統(tǒng)優(yōu)勢

在深空距離上進(jìn)行通信十分困難，通信波束隨發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的距離呈平方擴(kuò)散，通信難度也隨著距離的增加呈二次方增大。目前的通信技術(shù)可以方便的建立地球同步軌道（GEO）和地面之間的通信并能維持在Gbps這樣的數(shù)據(jù)速率，而到火星的距離上的數(shù)據(jù)傳輸速率只能維持在幾十到幾百kbps，到了海王星和冥王星的距離上，只能實(shí)現(xiàn)1bps的通信速率。由于目前微波頻段的通信天線已經(jīng)十分巨大，并且在深空探測中探測器供電受限很難提高發(fā)射機(jī)的功率，因此以現(xiàn)有的微波通信技術(shù)基礎(chǔ)上已經(jīng)很難再提高深空探測的通信速率。

在通信技術(shù)中提高通信信號的工作載頻能最大限度的改善通信性能，相比于X波段（8GHz）和Ka波段（32GHz），光通信的頻率更高（約300000GHz），可以使通信系統(tǒng)的性能得到很大改善，這在目前的全球光纖通信中已經(jīng)得到了證實(shí)，而在深空自由空間通信中，雖然存在一些不利的實(shí)際因素（如大氣損失、接收機(jī)靈敏度等），但是更高的載頻所帶來的同頻率平方關(guān)系的得益更大。圖1所示了光自由空間傳輸?shù)牟ㄊ鴶U(kuò)散要小的多的情況。

圖1中左邊為Voyager航天器從土星用X波段發(fā)回地球的波束，發(fā)射天線直徑為3.7m，當(dāng)波束到達(dá)地球時(shí)由于衍射使得信號擴(kuò)散成1000地球直徑寬的面積。右圖為從10cm口徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡發(fā)回地球的光波波束，假定光波長為1μm（頻率300THz），那么到地球的光點(diǎn)尺寸僅一個(gè)地球直徑寬。這表明水平和垂直方向上接收能量集中度高1000倍，功率密度提高106倍，并且這還是航天器用小得多的發(fā)射天線實(shí)現(xiàn)的（光學(xué)天線0.1m，X波段天線3.7m）。這種行對X波段的波長平方增益約為90dB，實(shí)際中考慮光通信的量子效應(yīng)和實(shí)施問題，預(yù)計(jì)當(dāng)前實(shí)際增益限制到約60dB。

深空激光通信相比于微波通信，可以以更小的尺寸、更輕的重量、更低的功耗實(shí)現(xiàn)高速率通信;相比于太赫茲通信技術(shù)，激光通信技術(shù)中應(yīng)用的各個(gè)單元更加成熟可靠。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀調(diào)研

目前，美國、日本和歐洲多國在空間激光通信鏈路理論研究和試驗(yàn)系統(tǒng)研制關(guān)鍵技術(shù)方面已經(jīng)獲得重大突破，正在加緊進(jìn)行空間光通信工程化系統(tǒng)的研制工作。最近，美國NASA已經(jīng)在月球大氣塵埃環(huán)境探測器（LADEE）上進(jìn)行了月地激光通信，獲得的下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)620Mbps，上行鏈路數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)20Mbps，而整個(gè)星上通信子系統(tǒng)的重量約為43kg，總功耗約為148W。由NASA的月地激光通信驗(yàn)證試驗(yàn)可以看出目前深空激光通信方面的相關(guān)技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟。

3 研究內(nèi)容

要進(jìn)行月地激光通信演示系統(tǒng)研究，目標(biāo)是建立月球與地球行星距離的激光通信，利用脈沖激光束完成地月之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)傳輸率是幾十到幾百M(fèi)bps，這是以前微波射頻深空通信所無法比擬的。

星上終端采用直徑30cm的天線，雪崩光電二極管（APD）接收，發(fā)射采用由半導(dǎo)體激光器和EDFA組合而成的主激光器-功率放大器結(jié)構(gòu)提高發(fā)射功率，采用脈沖相位調(diào)制（PPM）。波束非常窄的激光需要在移動狀態(tài)下利用ATP子系統(tǒng)準(zhǔn)確地發(fā)送到地面站。來消除航天器微小的擺動，這也是遠(yuǎn)瞄準(zhǔn)和跟蹤系統(tǒng)所要求應(yīng)對的挑戰(zhàn)之一。

地面終端采用的天線由一個(gè)發(fā)射和接收望遠(yuǎn)鏡陣列和控制器組成，控制器用于調(diào)整和保持望遠(yuǎn)鏡能指向彼此。一個(gè)超導(dǎo)的，冷卻到3開氏度的納米線探測器能實(shí)現(xiàn)高靈敏度探測。整個(gè)鏈路的通信波長采用1060nm可結(jié)合光纖技術(shù)的激光波長。主要研究內(nèi)容有：（1）空間激光通信鏈路特性分析;（2）空天背景光特性分析;（3）大氣、云層信道特性分析;（4）動態(tài)高精度跟蹤、捕獲、瞄準(zhǔn)系統(tǒng)（APT）研究;（5）空間激光通信工作流程研究;（6）空間激光通信系統(tǒng)星上發(fā)射、接收單元光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);（7）通信發(fā)射單元光放大技術(shù)研究;（8）通信發(fā)射單元調(diào)制、編碼技術(shù)研究;（9）通信接收單元探測器研究。

由于其技術(shù)難度和經(jīng)費(fèi)需求巨大，故難以在短期內(nèi)投入工程應(yīng)用。但為給將來工程應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，目前應(yīng)抓緊開展關(guān)鍵技術(shù)研究。需要開展研究的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下幾項(xiàng)[2]：（1）動態(tài)高精度跟蹤、捕獲、瞄準(zhǔn)技術(shù)（APT）;（2）大口徑接收望遠(yuǎn)鏡技術(shù);（3）高功率高重頻激光器技術(shù);（4）陣列望遠(yuǎn)鏡技術(shù);（5）強(qiáng)背景條件下微弱信號探測技術(shù);（6）高速數(shù)據(jù)編碼和解碼技術(shù)。

4 結(jié)語

深空光通信和深空激光測控技術(shù)是極具潛力的新的深空測控體制。結(jié)合我國小行星探測任務(wù)，空間激光通信的發(fā)展為今后深空探測任務(wù)中高速數(shù)據(jù)鏈的建設(shè)提供了有效的解決途徑。系統(tǒng)研究與關(guān)鍵技術(shù)和器件的研究會繼續(xù)深入下去，航天器攜帶的激光終端會越來越小，發(fā)射功率會越來越大，對準(zhǔn)精度會越來越高，穩(wěn)定性會越來越好，通信速率會越來越高，同時(shí)地面站的捕獲、瞄準(zhǔn)、跟蹤與發(fā)射接收能力也會大大提高，整體通信系統(tǒng)的能力會越來越好，最終會向?qū)嶋H的地面站和自由空間的實(shí)用系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，并投入到未來的實(shí)際深空探測任務(wù)中去[3]。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱恩涌，孫國江，果琳麗，等.我國小行星探測發(fā)展思路及關(guān)鍵技術(shù)探討[J].航天器工程，2012，21（03）：96-100.

[2] 于志堅(jiān).深空測控通信系統(tǒng)[M].國防工業(yè)出版社，2009.

[3] 周賢偉，尹志忠等.現(xiàn)代通信高技術(shù)叢書：深空通信[M].國防工業(yè)出版社，2009.