星載空間激光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

謝小平，高鐸瑞*，汪 偉，韓俊鋒，賀應(yīng)紅

(1.中國(guó)科學(xué)院 西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，陜西 西安 710119；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引言

空間激光通信經(jīng)過(guò)多年探索，取得了突破性進(jìn)展，已成為解決微波通信速率瓶頸、構(gòu)建天基寬帶網(wǎng)、實(shí)現(xiàn)對(duì)地觀測(cè)海量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)挠行侄?。激光通信系統(tǒng)具有體積小、質(zhì)量輕以及功耗低等特點(diǎn)，非常適合作為衛(wèi)星有效載荷，能夠滿足未來(lái)航天活動(dòng)日益增長(zhǎng)的通信需求[1-2]。國(guó)內(nèi)外對(duì)空間激光通信系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研發(fā)，并進(jìn)行一系列在軌驗(yàn)證計(jì)劃部署。以美國(guó)、歐洲和日本等為代表的國(guó)家，對(duì)空間激光通信系統(tǒng)所涉及的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)了全面深入的研究，開(kāi)發(fā)出多套衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)，并成功完成多項(xiàng)在軌試驗(yàn)，技術(shù)基本成熟，已經(jīng)開(kāi)始規(guī)劃建設(shè)可覆蓋全球的天基激光通信網(wǎng)絡(luò)[3-9]。我國(guó)目前正在部署空天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)，其中空間激光鏈路是該網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，是數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚俾贰Ｎ靼补鈾C(jī)所根據(jù)商業(yè)衛(wèi)星低軌星座組網(wǎng)需求，已研發(fā)了一套用于低軌的星載空間激光通信系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成

星載空間激光通信系統(tǒng)組成如圖1所示，由光通信機(jī)和PAT主機(jī)及電控箱兩部分組成。PAT主機(jī)和光通信機(jī)之間通過(guò)光纖組件連接，PAT主機(jī)和PAT電控箱之間通過(guò)電纜組件連接。光通信機(jī)主要完成高速激光信號(hào)的調(diào)制、解調(diào)；PAT主機(jī)是高精度跟瞄的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要完成空間光信號(hào)的發(fā)射和接收；PAT電控箱是高精度跟瞄的控制機(jī)構(gòu)，主要控制PAT主機(jī)完成初始指向、掃描捕獲及實(shí)時(shí)跟蹤等。根據(jù)使用要求的不同，PAT主機(jī)安裝在艙外，光通信機(jī)和PAT電控箱安裝在艙內(nèi)。

圖1 星載空間激光通信系統(tǒng)Fig.1 Satellite-borne space laser communication system

2 光通信機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 DPSK激光通信系統(tǒng)

光通信機(jī)的基本功能是將高速基帶電信號(hào)調(diào)制到光載波上，放大發(fā)射；同時(shí)接收微弱光信號(hào)，解調(diào)恢復(fù)出基帶電信號(hào)。根據(jù)調(diào)制方式的不同，空間激光通信較為成熟的技術(shù)體制主要分為兩大類：非相干通信體制和相干通信體制。非相干通信體制主要采用強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)(Intensity Modulation Direct Detection，IM-DD)方式，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但接收靈敏度較差。相干通信體制主要采用相位調(diào)制/相干探測(cè)方式，利用本振光與信號(hào)光的相干疊加，使信號(hào)光功率增大，具有高靈敏度、高調(diào)制速率以及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

相干通信體制又可以分為二進(jìn)制相移鍵控(Binary Phase Shift Keying，BPSK)/零差(外差)相干探測(cè)、差分相移鍵控(Differential Phase Shift Keying，DPSK)/自差相干探測(cè)等。相較而言，在獲得同樣的傳輸速率和靈敏度前提下，DPSK/自差相干探測(cè)體制對(duì)激光器線寬要求更低。國(guó)際上美國(guó)的LCRD系統(tǒng)和日本的JDRS系統(tǒng)均采用這種技術(shù)方案[10-12]。DPSK/自差相干探測(cè)體制的主要優(yōu)點(diǎn)如下：

① 對(duì)激光器線寬、頻率穩(wěn)定性要求比零差、外差更加寬松；

② 無(wú)需本振激光器，無(wú)需90°、180°光混頻器，無(wú)需相位鎖定，與零差、外差相比系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟度更高；

③ 接收端采用前置弱光放大器增大傳輸衰減的微弱光功率，配合自差延遲相干解調(diào)，接收靈敏度可以達(dá)到零差相干探測(cè)的精度。

本系統(tǒng)采用DPSK/自差相干探測(cè)技術(shù)方案，如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)由發(fā)射和接收兩部分組成。

圖2 DPSK高靈敏度激光通信系統(tǒng)Fig.2 Schematic of DPSK high sensitivity laser communication system

工作流程為：在發(fā)射端高速基帶電信號(hào)經(jīng)過(guò)差分預(yù)編碼后進(jìn)入電光調(diào)制器，預(yù)編碼后的信號(hào)以相位變化的形式加載到光載波上，通過(guò)摻鉺光纖放大器對(duì)信號(hào)光進(jìn)行放大發(fā)射；在接收端接收到的微弱光信號(hào)經(jīng)前置光預(yù)放大器放大，并通過(guò)光濾波器進(jìn)行匹配濾波降噪處理，隨后通過(guò)延遲干涉解調(diào)儀將光信號(hào)分成兩路，其中一路附加1 bit延遲，然后兩路光耦合干涉，從而將相位信息解調(diào)恢復(fù)出強(qiáng)度信息(多普勒頻移補(bǔ)償裝置用來(lái)補(bǔ)償衛(wèi)星相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的多普勒頻移)，兩路強(qiáng)度信號(hào)由平衡探測(cè)器接收轉(zhuǎn)換成基帶電信號(hào)。

2.2 器件選擇

在器件選型時(shí)，電子元器件選擇航天目錄內(nèi)的器件，并且滿足降額、輻照等要求。光電及光纖器件優(yōu)選符合Telcordia GR-468標(biāo)準(zhǔn)的有源光電器件和符合Telcordia GR-1221，GR-1209標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)源光纖器件，并根據(jù)空間環(huán)境要求進(jìn)行完備的器件級(jí)空間環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)。

光電器件的選擇、篩選和鑒定試驗(yàn)與電子設(shè)備工程(Electronic Equipment Engineering，EEE)器件的過(guò)程類似，但針對(duì)光電器件進(jìn)行了修改。宇航級(jí)光電器件認(rèn)證的流程如圖3所示。

圖3 宇航級(jí)光電器件認(rèn)證流程Fig.3 Aerospace-grade photoelectric devicecertification process

2.3 光通信機(jī)

研制的光通信機(jī)如圖4所示，鋁制機(jī)箱的機(jī)殼厚度3 mm，可以提供良好的輻射屏蔽、出色的導(dǎo)熱性以及良好的結(jié)構(gòu)完整性。安裝面不做表面處理，其余表面黑色陽(yáng)極氧化。光通信機(jī)采用垂直堆疊的三層結(jié)構(gòu)，分別是發(fā)射層、接收層和控制層。每層通過(guò)分區(qū)以優(yōu)化熱性能和結(jié)構(gòu)性能，并完成集成和測(cè)試。模塊化分層的優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)單層都可以并行集成和測(cè)試，減少了光通信機(jī)集成和測(cè)試的時(shí)間，并保證了設(shè)計(jì)的靈活性，以滿足不斷變化的需求。

圖4 光通信機(jī)Fig.4 Optical communication module

如圖4(b)所示，光通信機(jī)第一層是光信號(hào)發(fā)射層，由光電器件和光纖器件構(gòu)成，安裝于衛(wèi)星表面，是最好的散熱層(也是熱耗最高的一層)，便于將這些組件保持在適中的溫度，從而提高性能和可靠性。第一層包括用于自檢和雙向通信的DFB激光器,以及用于光信號(hào)放大的高功率光放大器。為了保證光放大器的可靠性，對(duì)泵浦源進(jìn)行了冗余設(shè)計(jì)。該層還包括高速光調(diào)制器和自動(dòng)偏壓控制器，所有器件的供電統(tǒng)一由該層的供電轉(zhuǎn)接板提供。

第二層是光信號(hào)接收層，由光電器件和光纖器件構(gòu)成，包括前置光預(yù)放大器、光濾波器及延遲干涉解調(diào)儀等，并且第二層與第一層在內(nèi)部形成自閉環(huán)，用于完成自測(cè)功能。所有器件的供電統(tǒng)一由該層的供電轉(zhuǎn)接板提供。

第三層是控制層，主要由FPGA等電路構(gòu)成，包括高速數(shù)字處理電路、多普勒補(bǔ)償電路及二次電源電路等。第一層、第二層的供電和控制信號(hào)都來(lái)自第三層。

2.4 性能測(cè)試

DPSK相干光通信機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示，誤碼率隨接收光功率的變化曲線如圖5所示。接收光功率-45 dBm時(shí)誤碼率2.4×10-6，接收光功率-44 dBm時(shí)誤碼率3.0×10-7，接收光功率每增加1 dB，誤碼率減小一個(gè)量級(jí)，大于-41 dBm時(shí)實(shí)現(xiàn)零誤碼接收。

表1 光通信機(jī)主要參數(shù)Tab.1 Optical communication module parameters

圖5 光通信機(jī)誤碼曲線(不含糾錯(cuò)編碼)Fig.5 BER curve of optical communication module (no error correction coding)

3 PAT主機(jī)及電控箱設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

PAT主機(jī)及電控箱對(duì)激光通信鏈路的建立起到重要作用，主要實(shí)現(xiàn)空間光信號(hào)收發(fā)，瞄準(zhǔn)捕獲跟蹤等功能，解決衛(wèi)星平臺(tái)的振動(dòng)、衛(wèi)星之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)等引起的激光指向問(wèn)題，維持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路之間的通信穩(wěn)定[13]。按實(shí)現(xiàn)的功能可以劃分為光學(xué)天線及中繼光路、粗跟蹤單元、精跟蹤單元和提前量單元四部分，如圖6所示。

圖6 PAT主機(jī)及電控箱Fig.6 Schematic of PAT module and controller electronics

3.1 光學(xué)天線及中繼光路

光學(xué)天線將通信光和信標(biāo)光發(fā)射到對(duì)方空間激光通信系統(tǒng)所在空間，同時(shí)接收來(lái)自對(duì)方的信標(biāo)光和通信光。光學(xué)天線采用RC反射式的無(wú)焦光學(xué)系統(tǒng)，作為接收、發(fā)射通道的共用部件，安裝在粗跟蹤單元的二維跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)上，隨轉(zhuǎn)臺(tái)一起轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)視線方向的兩維調(diào)節(jié)。

中繼光路主要包括通信發(fā)射支路、信標(biāo)發(fā)射支路、通信接收支路、信標(biāo)接收支路、精跟蹤接收支路以及分光組件等。它與二維跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)底座固定連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)光束的整形、擴(kuò)束、分光、濾光以及折反射等。光學(xué)天線與中繼光路共同構(gòu)成完整的光學(xué)系統(tǒng)，將己方的光信號(hào)發(fā)射到空間，將對(duì)方的光信號(hào)接收到探測(cè)器。

3.2 粗跟蹤單元

粗跟蹤單元由二維跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)、粗跟蹤相機(jī)、信標(biāo)激光器、轉(zhuǎn)臺(tái)伺服模塊以及PAT主控模塊等組成。二維跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)、粗跟蹤相機(jī)、信標(biāo)激光器安裝于PAT主機(jī)內(nèi)；轉(zhuǎn)臺(tái)伺服模塊、PAT主控模塊安裝在PAT電控箱內(nèi)。

信標(biāo)激光器用于產(chǎn)生特定波長(zhǎng)的信標(biāo)光，其輸出的光能量經(jīng)由中繼光路內(nèi)部的信標(biāo)發(fā)射支路耦合進(jìn)入光學(xué)天線對(duì)外發(fā)射，供對(duì)方激光通信系統(tǒng)進(jìn)行光束初始捕獲和粗跟蹤。二維跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)是光學(xué)天線的承載體，裝配有同步電機(jī)和高精度編碼器，用于光學(xué)天線光軸指向的兩維大范圍調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)臺(tái)伺服模塊由電路板及其固定支架構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對(duì)二維跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)控制。粗跟蹤相機(jī)安裝在中繼光路內(nèi)部，位于信標(biāo)接收支路末端，用于探測(cè)接收到的粗跟蹤信標(biāo)光，并提取出目標(biāo)的脫靶量，供PAT主控模塊使用。PAT主控模塊根據(jù)脫靶量信息經(jīng)由轉(zhuǎn)臺(tái)伺服模塊控制二維跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行目標(biāo)跟蹤。

3.3 精跟蹤單元

精跟蹤單元由精跟蹤振鏡、精跟蹤伺服模塊以及精跟蹤相機(jī)等組成。精跟蹤振鏡和精跟蹤相機(jī)安裝于PAT主機(jī)內(nèi)，精跟蹤伺服模塊安裝在PAT電控箱內(nèi)。

精跟蹤振鏡由振鏡結(jié)構(gòu)本體和反射鏡兩部分構(gòu)成，位于中繼光路內(nèi)部，能夠帶動(dòng)其上的反射鏡進(jìn)行二維轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)接收光束指向的精細(xì)調(diào)整。精跟蹤伺服模塊用于實(shí)現(xiàn)對(duì)精跟蹤振鏡的運(yùn)動(dòng)控制；它接收PAT主控模塊輸出的控制信號(hào)，對(duì)粗跟蹤的殘差和衛(wèi)星姿態(tài)擾動(dòng)進(jìn)行抑制。精跟蹤相機(jī)安裝在中繼光路內(nèi)部，位于精跟蹤接收支路末端，用于探測(cè)接收到的通信光，并采用精跟蹤算法提取出目標(biāo)的脫靶量，供PAT主控模塊進(jìn)行精跟蹤位置閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)通信光束的高精度對(duì)準(zhǔn)。

3.4 提前量單元

提前量單元由提前量振鏡、提前量伺服模塊組成，在PAT主控模塊控制下工作。提前量振鏡安裝于PAT主機(jī)內(nèi)，位于中繼光路內(nèi)的發(fā)射光路上。提前量伺服安裝在PAT電控箱內(nèi)，它接收PAT主控模塊輸出的模擬控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)提前量振鏡偏轉(zhuǎn)，補(bǔ)償由于光束弛豫時(shí)間帶來(lái)的視軸指向偏離。

3.5 掃描策略

掃描捕獲是衛(wèi)星激光通信建立通信鏈路的關(guān)鍵[14]。由于衛(wèi)星姿態(tài)和軌道等存在測(cè)量誤差，在尋找目標(biāo)時(shí)，只能知道目標(biāo)出現(xiàn)的不確定區(qū)域。另外，衛(wèi)星姿態(tài)漂移、衛(wèi)星之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)、衛(wèi)星平臺(tái)振動(dòng)以及空間背景光的干擾，都會(huì)使捕獲難度增大。因此，掃描策略的選取需要綜合考慮不確定區(qū)域、掃描方式、捕獲時(shí)間及捕獲概率等因素，使掃描效果達(dá)到最佳狀態(tài)。

常見(jiàn)的信標(biāo)光掃瞄方式主要包括矩形掃瞄、螺旋掃瞄及矩形螺旋掃瞄等。矩形掃描即逐行掃瞄，雖然能夠有效掃瞄整個(gè)區(qū)域，易于設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，但掃描效率較低。若考慮到目標(biāo)出現(xiàn)在不確定區(qū)域的概率為高斯或瑞利分布，可以采用螺旋掃描，它以最密的螺線軌跡從目標(biāo)出現(xiàn)的概率最大區(qū)域開(kāi)始，效率較高，但其不足在于會(huì)對(duì)較邊緣處的目標(biāo)產(chǎn)生漏掃，可以通過(guò)加大重疊因子的手段來(lái)降低漏掃概率，但這是以犧牲捕獲時(shí)間為代價(jià)。

矩形螺旋掃瞄結(jié)合了前二種方式的優(yōu)點(diǎn)，如圖7(a)所示，掃瞄也是從概率密度最大處開(kāi)始，掃瞄間隔重疊小，比螺旋掃瞄方式更易于實(shí)現(xiàn)。另外，在確定掃瞄范圍的情況下，矩形螺旋掃瞄的平均捕獲時(shí)間小于矩形掃瞄和螺旋掃描。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)有信標(biāo)光，其發(fā)散角較大；并從工程角度出發(fā)，兼顧掃瞄效率和捕獲概率，采用矩形螺旋掃描。

為了增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，除了利用信標(biāo)光進(jìn)行捕獲外，同時(shí)設(shè)計(jì)了直接利用信號(hào)光進(jìn)行掃描捕獲的功能。利用二維轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)不確定區(qū)域進(jìn)行大間距粗掃描，利用提前量振鏡在粗掃描兩點(diǎn)間進(jìn)行小范圍快速掃描，即采用粗精結(jié)合的復(fù)合掃描方式，復(fù)合螺旋掃描示意圖如圖7(b)所示。

圖7 掃描模式Fig.7 Scanning mode

3.6 PAT主機(jī)及電控箱

研制的PAT主機(jī)如圖8(a)所示，主要包括光學(xué)天線、中繼光路、L型二維跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)、精跟蹤振鏡、提前量振鏡、粗跟蹤相機(jī)、精跟蹤相機(jī)及信標(biāo)激光器等。PAT電控箱如圖8(b)所示，主要包括PAT主控模塊、轉(zhuǎn)臺(tái)伺服模塊、精跟蹤伺服模塊和提前量伺服模塊；配套軟件包含主控模塊控制軟件、主控模塊FPGA軟件、粗跟蹤相機(jī)FPGA軟件和精跟蹤相機(jī)FPGA軟件。

圖8 PAT主機(jī)及電控箱Fig.8 PAT module and controller electronics

3.7 性能測(cè)試

對(duì)PAT主機(jī)及電控箱進(jìn)行性能指標(biāo)測(cè)試，各光軸最大同軸偏差小于3 μrad，波像差優(yōu)于0.018λ，如圖9(a)和圖9(b)所示。在搖擺臺(tái)搖擺幅值3°、搖擺頻率0.16 Hz及疊加SILEX微振動(dòng)條件下測(cè)得方位跟蹤精度2.09 μrad(3σ)，俯仰跟蹤精度2.32 μrad(3σ)，兩軸綜合精度3.12 μrad(3σ)，如圖9(c)和圖9(d)所示。PAT主機(jī)及電控箱主要參數(shù)如表2所示。

表2 PAT主機(jī)及電控箱主要參數(shù)Tab.2 PAT module and controller electronics parameters

圖9 PAT主機(jī)及電控箱性能測(cè)試圖Fig.9 PAT module and controller electronics performance testing

4 環(huán)境試驗(yàn)

4.1 力學(xué)試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)星載空間激光通信系統(tǒng)經(jīng)受振動(dòng)試驗(yàn)載荷的能力，是否達(dá)到可靠性要求，將光通信機(jī)、PAT主機(jī)及電控箱有效載荷沿X、Y、Z三個(gè)方向安裝在振動(dòng)平臺(tái)做力學(xué)試驗(yàn)，如圖10所示。

圖10 力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)Fig.10 Mechanical environment test

力學(xué)試驗(yàn)包括隨機(jī)振動(dòng)篩選試驗(yàn)、正弦振動(dòng)試驗(yàn)和隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Mechanical test results

由表3可以看出，力學(xué)試驗(yàn)前后星載空間激光通信系統(tǒng)接收光功率-44 dBm時(shí)，誤碼率為2.3×10-7～5.8×10-7，并無(wú)明顯劣化，系統(tǒng)性能穩(wěn)定。

4.2 熱學(xué)試驗(yàn)

熱學(xué)試驗(yàn)包括熱循環(huán)試驗(yàn)和熱真空試驗(yàn)。熱循環(huán)試驗(yàn)共計(jì)14.5個(gè)循環(huán)，每個(gè)溫度循環(huán)峰值和谷值的停留時(shí)間為2 h。對(duì)星載空間激光通信系統(tǒng)進(jìn)行了熱學(xué)環(huán)境測(cè)試，監(jiān)測(cè)接收光功率-44 dBm時(shí)的系統(tǒng)誤碼率等參數(shù)。熱學(xué)試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示，可以看出，熱試驗(yàn)過(guò)程中光通信機(jī)接收光功率-44 dBm時(shí)誤碼率為5.4×10-8～7.6×10-7，并無(wú)明顯劣化，系統(tǒng)性能穩(wěn)定。

圖11 熱學(xué)環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果Fig.11 Thermal environment test results

5 結(jié)束語(yǔ)

基于DPSK星載空間激光通信系統(tǒng)，從光通信機(jī)和PAT主機(jī)與電控箱兩方面進(jìn)行了詳細(xì)介紹。該終端工作在LEO軌道，可以實(shí)現(xiàn)低軌星間、低軌-高軌、低軌-地的空間激光通信。系統(tǒng)通信波長(zhǎng)1 550 nm波段、通信速率5 Gbit/s、口徑100 mm、方位轉(zhuǎn)動(dòng)范圍-175°～+175°，俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)范圍-90°～+90°，跟蹤精度小于3.12 μrad(3σ)、誤碼率優(yōu)于3×10-7@-44 dBm(不含糾錯(cuò)編碼)。該系統(tǒng)通過(guò)了力學(xué)、熱學(xué)等空間環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)，滿足在軌運(yùn)行要求，可為我國(guó)空天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中的空間激光鏈路提供關(guān)鍵技術(shù)和核心裝備支撐。