基于浮空平臺(tái)的星地激光中繼通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郎 磊，王荊寧，李小明，楊乾遠(yuǎn)，薛松海

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.長春理工大學(xué)，吉林 長春 130022；3.中國電子科技集團(tuán)公司第三十四研究所，廣西 桂林 541004；4.中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引言

空間激光通信傳輸容量大，是未來星間和星地大容量通信的主要手段之一，但衛(wèi)星激光通信鏈路與地面站之間通信會(huì)受到近地大氣環(huán)境的影響，難以全天候工作，如能將地面激光通信設(shè)備升空至平流層高度，則可避免絕大部分天氣環(huán)境、大氣湍流等因素影響，應(yīng)用前景可期[1-6]。

美國霍普金斯大學(xué)擬開展SPARCL計(jì)劃，擬采用浮空氣球搭載激光通信載荷中繼接收高軌、低軌衛(wèi)星下傳的高速數(shù)據(jù)流，隨后通過系留光纖下傳到地面站，形成衛(wèi)星-平流層-地面的全光下行傳輸鏈路，受限于平臺(tái)成熟度，目前未見實(shí)際部署系統(tǒng)報(bào)道。在星地、空空激光通信試驗(yàn)方面，國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)實(shí)現(xiàn)了低軌衛(wèi)星504 Mbps的星地激光通信試驗(yàn)，中科院上海光機(jī)所“墨子號(hào)”搭載激光通信載荷完成了5 Gbps的星地激光通信試驗(yàn)，僅有長春理工大學(xué)開展了144 km距離內(nèi)2.5 Gbps空空激光通信試驗(yàn)，尚未有星-平流層激光通信試驗(yàn)報(bào)道[7-11]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

星地激光中繼通信系統(tǒng)如圖1所示，主要包括平流層浮空平臺(tái)、通信載荷、地面綜合顯控設(shè)施及地面保障設(shè)施等。

圖1 星地激光中繼通信系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 Schematic diagram of satellite-ground laser relay communication system

下面就系統(tǒng)的指標(biāo)能力、傳輸體制、激光通信鏈路等進(jìn)行詳細(xì)分析。

1.2 系統(tǒng)體制分析

1.2.1 波段選擇

激光通信常用信號(hào)或信標(biāo)光波長為800 nm，1 310 nm，1 550 nm三個(gè)波段，其中1 550 nm由于空間背景光少，探測(cè)背景噪聲低，且受益于光纖通信發(fā)展，該波段器件成熟度高，本系統(tǒng)采用1 550 nm波段作為星地激光通信鏈路的通信波段，800 nm波段作為信標(biāo)光波段。

1.2.2 傳輸體制

星地激光通信體制主要由相干通信體制和IM/DD(強(qiáng)度調(diào)制/直接探測(cè))體制兩種，相干通信體制接收靈敏度高，并易于實(shí)現(xiàn)高階調(diào)制，更適宜高速激光通信，星地激光饋電鏈路單波道支持的編碼后發(fā)射/接收信號(hào)光速率不低于2.5 Gbps，編譯碼方式為7/8 LDPC碼，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)多檔速率可調(diào)。

1.2.3 鏈路分析

星地激光中繼通信系統(tǒng)在我國區(qū)域?qū)πl(wèi)星的鏈路通信距離一般不會(huì)超過40 000 km。以高軌衛(wèi)星激光發(fā)射功率小于5 W，束散角小于50rad，激光通信設(shè)備光學(xué)口徑小于250 mm為例進(jìn)行分析。如表1所示，預(yù)期可實(shí)現(xiàn)不低于下行21.25 Gbps，上行625 Mbps的激光傳輸速率。

表1 星地激光通信鏈路預(yù)算
Tab.1 Link budget of satellite-ground lasercommunications

參數(shù)下行上行信號(hào)光發(fā)射功率/dBm33.941.7發(fā)射天線增益/dB108.598.5自由空間損耗/dB-290.2-290.2大氣散射損耗/dB-2-2大氣閃爍損耗/dB-5-5接收天線增益/dB114.1112.2APT適配損耗/dB-1-1接收光功率/dBm-41.7-45.8接收靈敏度/dBm-46.6-50.5安全余量/dB4.94.7

1.3 平臺(tái)選擇

常見的浮空平臺(tái)如表2所示，可以看出太陽能無人機(jī)、平流層飄空氣球承載能力均小于50 kg，由于激光通信載荷重量較大(>100 kg),因此上述兩種浮空平臺(tái)均無法搭載，只有平流層飛艇承載能力滿足要求。

表2 浮空平臺(tái)特性匯總
Tab.2 Summary of high-altitude aerostat characteristics

特性指標(biāo)太陽能無人機(jī)平流層飛艇平流層飄空氣球載荷重量≥50 kg≥200 kg≥50 kg升空高度≥18 km≥18 km≥18 km滯空時(shí)間≤25天≤30天≤7天供電能力<1 kW<2 kW<300 W載荷安裝方式分布式頂部/底部底部

2 浮空激光通信載荷設(shè)計(jì)

2.1 載荷組成

浮空激光通信載荷是以激光為信息載體，在兩節(jié)點(diǎn)間通過激光實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞，其信號(hào)波束角小、調(diào)制速率高，在遠(yuǎn)距離、高速通信具有優(yōu)勢(shì)。浮空激光通信載荷主要由光機(jī)單元、PAT(指向-捕獲-跟蹤)單元和通信處理單元組成，如圖2所示。

圖2 浮空激光通信載荷組成框圖Fig.2 Block diagram of laser communication payload on high-altitude aerostat

光機(jī)單元主要實(shí)現(xiàn)激光接收與發(fā)射，如圖3所示。

圖3 光機(jī)單元外形結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of structure of optical-mechanical unit

激光信號(hào)接收時(shí)，大口徑光學(xué)鏡頭可以提高信號(hào)接收面積，保證接收能量。在激光信號(hào)發(fā)射時(shí)，大口徑光學(xué)鏡頭可以壓縮發(fā)射激光束散角(rad量級(jí))，提高發(fā)射時(shí)激光能量密度。

系統(tǒng)通過后續(xù)光路連接光學(xué)鏡頭與激光器、光探測(cè)器等元件，采用分光片等進(jìn)行激光信號(hào)的分/合束，實(shí)現(xiàn)多光路集成。

PAT單元是激光通信載荷在動(dòng)平臺(tái)工作時(shí)的必要單元，由于激光通信束散角很小，對(duì)通信雙方光軸對(duì)準(zhǔn)精度要求極高，因此需通過機(jī)械機(jī)構(gòu)對(duì)通信光軸進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，保證平臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)通信載荷光軸的實(shí)時(shí)對(duì)準(zhǔn)精度。激光通信系統(tǒng)采用粗、精復(fù)合跟蹤系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大角度范圍下的高精度跟蹤對(duì)準(zhǔn)。

通信處理單元主要完成數(shù)據(jù)信號(hào)電光調(diào)制、光信號(hào)放大，光信號(hào)接收、光電轉(zhuǎn)換與解調(diào)等功能。

2.2 載荷安裝設(shè)計(jì)

2.2.1 安裝位置分析

浮空激光通信載荷安裝位置主要受平臺(tái)承載能力、載荷安裝機(jī)構(gòu)是否與平臺(tái)剛性連接，平臺(tái)對(duì)激光鏈路遮擋程度等多個(gè)因素影響。

(1) 底部吊裝

圖4為浮空激光通信載荷底部吊裝示意圖，由于吊裝纜繩無法滿足與載荷的剛性連接，鏈路對(duì)準(zhǔn)過程中無法提供載荷伺服機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的反作用力矩，難以實(shí)現(xiàn)鏈路對(duì)準(zhǔn)，因此底部吊裝方式不可行。

圖4 浮空激光通信載荷底部吊裝示意圖Fig.4 Bottom lifting of laser communication payload on high-altitude aerostat

(2) 頂部安裝

在浮空平臺(tái)頂部選取兩個(gè)安裝位置進(jìn)行分析，如圖5所示。經(jīng)過計(jì)算，在平臺(tái)俯仰角為0°的情況下，頂部兩個(gè)安裝位置所能達(dá)到的視場(chǎng)角度分別是134°和171°。頭錐位置安裝時(shí)，遮擋比較嚴(yán)重的是橫向位置球體頭部，該位置的向上視場(chǎng)角最小只有44°，在平臺(tái)俯仰變化時(shí)可能會(huì)有一定概率不滿足視場(chǎng)角要求。綜合考慮以上因素，最終選擇頂部位置，其視場(chǎng)角為171°。對(duì)上視場(chǎng)角最小為81°，考慮最大15°俯仰，最小視場(chǎng)角也能達(dá)到66°，超過最低視場(chǎng)角45°的載荷仰角要求。

圖5 浮空激光通信載荷頂部安裝示意圖Fig.5 Top-mounted of laser communication payload on high-altitude aerostat

針對(duì)該位置，根據(jù)任務(wù)載荷重量不同計(jì)算囊體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度以及變形情況，如圖6所示。

圖6 浮空激光通信載荷頂部安裝位置應(yīng)力及形變示意圖Fig.6 Schematic diagram of stress and deformation of top-mounted laser communication payload on high-altitude aerostat

計(jì)算結(jié)果顯示任務(wù)載荷在100 kg以內(nèi)，最大變形為195 mm，仍在浮空平臺(tái)頂部最大承受能力范圍內(nèi)，若繼續(xù)增大載荷重量，浮空平臺(tái)囊體將會(huì)變形過大無法保形。

2.2.2 安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

浮空激光通信載荷光機(jī)單元、激光放大器等組件統(tǒng)一安裝在浮空平臺(tái)頂部，采用頂部掛架方式進(jìn)行安裝；激光通信單元安裝在浮空平臺(tái)腹部整流罩內(nèi)，采用底部掛架方式進(jìn)行安裝。

(1) 安裝掛架設(shè)計(jì)

頂部掛架主要為浮空激光通信載荷電子設(shè)備提供安裝空間，由掛架和設(shè)備艙組成，掛架主要是用于與浮空平臺(tái)囊體綁扎連接，設(shè)備艙用于安裝載荷設(shè)備。激光通信載荷光機(jī)單元安裝在設(shè)備掛架頂部，其余電子設(shè)備安裝在掛架內(nèi)部設(shè)備艙，掛架與設(shè)備艙采用快卸銷連接，可以快速分離，如圖7所示。

圖7 浮空激光通信載荷頂部安裝示意圖Fig.7 Top-mounted laser communication payload on high-altitude aerostat

頂部掛架采用多梁式結(jié)構(gòu)，骨架主要由縱向梁與橫向梁鉚接而成，梁與框的材料主要是鋁型材；設(shè)備艙由鋁型材通過螺栓連接而成，具體掛架結(jié)構(gòu)形式如圖8所示。

圖8 浮空激光通信載荷頂部安裝掛架結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Top-mounted rack structure of laser communication payload on high-altitude aerostat

掛架安裝方式是在浮空平臺(tái)頂部位置把掛架通過囊體綁扎帶與囊體綁扎連接，再把設(shè)備艙與掛架連接，同時(shí)兩側(cè)各拉四根張線，張線采用TS5-500強(qiáng)力繩編結(jié)而成。

(2) 載荷線纜布設(shè)設(shè)計(jì)

光機(jī)單元與通信處理單元之間用數(shù)據(jù)線纜和供電線纜連接，供電線纜從浮空平臺(tái)底部整流罩內(nèi)的平臺(tái)供電設(shè)備中引出，數(shù)據(jù)線纜從整流罩內(nèi)的通信處理單元中引出，均沿浮空平臺(tái)囊體表面走線槽布設(shè)，與頂部光機(jī)單元等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、供電連通。

2.3 浮空平臺(tái)與衛(wèi)星間激光對(duì)準(zhǔn)分析與工作流程

2.3.1 影響激光對(duì)準(zhǔn)因素分析

浮空平臺(tái)是一種緩慢移動(dòng)的平臺(tái)，其運(yùn)動(dòng)特性對(duì)浮空激光通信載荷與衛(wèi)星間的激光對(duì)準(zhǔn)有關(guān)鍵性影響，下面從平臺(tái)運(yùn)動(dòng)特性入手，分析平臺(tái)位置變化等對(duì)捕獲不確定區(qū)域的影響。

(1) 平臺(tái)運(yùn)動(dòng)特性影響

對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)來說，需要關(guān)注的是姿態(tài)變化和三軸角速度和角加速度。后續(xù)的設(shè)計(jì)按照姿態(tài)變化±15°，角速度不大于5°/s，角加速度不大于5°/s2進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(2) 平臺(tái)位置引起的捕獲不確定區(qū)域分析

浮空平臺(tái)升空后，位置會(huì)根據(jù)風(fēng)速和風(fēng)向隨機(jī)變化，最大位置變化范圍可達(dá)公里量級(jí)，相對(duì)于40 000 km的通信距離，產(chǎn)生的不確定區(qū)域誤差小于10rad，相對(duì)于衛(wèi)星掃描不確定區(qū)域1.5 mrad，其誤差小于6‰，所以平臺(tái)位置變化產(chǎn)生的衛(wèi)星指向誤差很小，基本不影響掃描捕獲。

2.3.2 浮空激光通信載荷對(duì)準(zhǔn)流程

由于衛(wèi)星和浮空激光通信載荷的初始指向均有較大的捕獲不確定區(qū)域，且受鏈路距離影響，束散角較小，初始指向時(shí)雙方信標(biāo)光均無法直接覆蓋對(duì)方載荷。

浮空激光通信載荷與衛(wèi)星間采用掃描-凝視捕獲方案[12]。由于高軌衛(wèi)星平臺(tái)穩(wěn)定性較好，其光軸初始指向精度優(yōu)于浮空平臺(tái)，所以鏈路捕獲模式設(shè)計(jì)為浮空凝視指向(被動(dòng)端)與衛(wèi)星激光掃描(主動(dòng)端)的模式。具體主要參數(shù)如表3所示。

圖9為激光通信設(shè)備捕獲跟蹤工作流程。浮空激光通信載荷與衛(wèi)星對(duì)準(zhǔn)開始前，首先對(duì)組合慣導(dǎo)單元的方位初值進(jìn)行標(biāo)定。捕獲跟蹤開始后，首先采用高精度GPS/INS測(cè)量浮空平臺(tái)位置與姿態(tài)，浮空激光載荷與衛(wèi)星激光載荷相互初始指向；浮空激光載荷凝視，跟蹤相機(jī)接收視場(chǎng)覆蓋其指向不確定區(qū)域，衛(wèi)星激光載荷發(fā)射信標(biāo)光在其初始指向不確定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行連續(xù)掃描；當(dāng)衛(wèi)星激光載荷信標(biāo)光進(jìn)入浮空激光載荷粗跟蹤視場(chǎng)后，浮空激光載荷轉(zhuǎn)入粗跟蹤模式，將衛(wèi)星激光光斑跟蹤到粗跟蹤視場(chǎng)中心；隨后浮空激光載荷發(fā)射信標(biāo)光即可照射到衛(wèi)星激光載荷粗跟蹤視場(chǎng)，衛(wèi)星激光載荷捕獲浮空節(jié)點(diǎn)信標(biāo)光后進(jìn)行跟蹤，雙方完成鏈路捕獲。

表3 浮空激光通信載荷工作參數(shù)
Tab.3 Work parameters of laser communication payload on high-altitude aerostat

參數(shù)名稱說明掃描覆蓋區(qū)域1.5 mrad,可調(diào)掃描方式螺旋掃描掃描重疊區(qū)域40%,可調(diào)掃描步進(jìn)停留時(shí)間0.5 s,可調(diào)默認(rèn)掃描次數(shù)3次,可調(diào)

至此浮空激光載荷與衛(wèi)星的激光鏈路對(duì)準(zhǔn)過程完成，可以開展系統(tǒng)性能測(cè)試，如通信速率、誤碼率測(cè)試等。

圖9 浮空激光通信載荷捕獲跟蹤工作流程Fig.9 Flow chart of pat procedure of laser communication payload on high-altitude aerostat

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了基于浮空平臺(tái)的星地激光中繼通信系統(tǒng)，受限于平流層平臺(tái)成熟度不足，先期對(duì)緩慢移動(dòng)的浮空平臺(tái)搭載激光通信載荷與衛(wèi)星間鏈路對(duì)準(zhǔn)，激光通信載荷在浮空平臺(tái)頂部柔性表面安裝設(shè)計(jì)可行性等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證；后續(xù)將陸續(xù)開展平流層平臺(tái)星地激光中繼系統(tǒng)大容量微波/毫米波回傳設(shè)備研制。平流層平臺(tái)載荷環(huán)境適應(yīng)性改進(jìn)等工作，從根本上消除大氣環(huán)境(云、雨、霧、大氣湍流等)對(duì)激光通信的影響，解決星地激光通信受大氣環(huán)境影響較大，無法全天候工作的難題，提高星地激光饋電鏈路可用度。