面向微納衛(wèi)星應(yīng)用的激光數(shù)傳技術(shù)

吳世臣，黎發(fā)志，楊玉軍，周子元，李文宗，解學(xué)彬

面向微納衛(wèi)星應(yīng)用的激光數(shù)傳技術(shù)

吳世臣，黎發(fā)志，楊玉軍，周子元，李文宗，解學(xué)彬

（南京英田光學(xué)工程股份有限公司 南京 210000）

針對(duì)遙感微納衛(wèi)星對(duì)地高速數(shù)傳需求，開展面向微納衛(wèi)星的激光數(shù)傳技術(shù)研究，突破微納衛(wèi)星激光通信終端星地快速捕獲建鏈和協(xié)同高精度穩(wěn)定跟蹤、天基終端輕小型化、復(fù)合光電組件等關(guān)鍵技術(shù)。完成微納衛(wèi)星的天基激光終端和地面激光終端研制，并開展星地傳輸試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)1 230 km、10/50/100 Mbps的星地?cái)?shù)據(jù)傳輸，驗(yàn)證了相關(guān)技術(shù)，為后續(xù)我國微納衛(wèi)星對(duì)地遙感應(yīng)用提供了理想的星地?cái)?shù)傳手段。

微納衛(wèi)星；激光數(shù)傳；遙感應(yīng)用；瞄準(zhǔn)、捕獲和跟蹤

引 言

近年來，隨著商業(yè)航天蓬勃發(fā)展，各種類型的衛(wèi)星發(fā)展迅速，其中，重量在1 kg～100 kg的微納衛(wèi)星具有研制和發(fā)射成本低、功能密度高的特點(diǎn)，被廣泛用于科學(xué)試驗(yàn)、空間環(huán)境探測、組網(wǎng)對(duì)地觀測。然而，由于微納衛(wèi)星體積和重量較小，對(duì)平臺(tái)載荷提出了苛刻的要求，傳統(tǒng)高速對(duì)地傳輸手段不適用于微納衛(wèi)星使用，嚴(yán)重限制了微納衛(wèi)星的應(yīng)用。針對(duì)遙感微納衛(wèi)星對(duì)地高速數(shù)傳的需求，英田光學(xué)研制了天基激光終端和地面激光終端，并完成星地傳輸試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)1 200 km、10/50/100 Mbps星地?cái)?shù)據(jù)傳輸。

1 國外發(fā)展情況

微納衛(wèi)星的重量一般在數(shù)千克至數(shù)十千克，具有重量輕、容易批量化制造、發(fā)射成本低、集群使用可實(shí)現(xiàn)大衛(wèi)星難以完成任務(wù)的優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于科學(xué)試驗(yàn)、空間探測、深空探測領(lǐng)域，受到歐美日等多方關(guān)注，如圖1所示。然而，微納衛(wèi)星對(duì)通信載荷的體積、重量和功耗有著嚴(yán)苛的要求，制約了微納衛(wèi)星的應(yīng)用和發(fā)展。利用激光通信技術(shù)重量輕、體積小、容量大的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)微納衛(wèi)星對(duì)地面通信、衛(wèi)星對(duì)衛(wèi)星通信，是突破微納衛(wèi)星應(yīng)用的一個(gè)重要研究方向。目前美、歐、日在這方面均進(jìn)行了大量研究。

1.1 CLTDSC項(xiàng)目

2014年，NASA開始了1 U CLTDSC（Cubesat Lasercom Terminal for Deep Space Communication）項(xiàng)目，該項(xiàng)目由Fibertek公司具體完成，負(fù)責(zé)開發(fā)一款1 U大小的Cubesat激光通信終端用于深空通信。在完成原理樣機(jī)的基礎(chǔ)上，2015年，F(xiàn)ibertek公司又獲得了該項(xiàng)目的第2階段研發(fā)工作，并于2017年初步完成了原理樣機(jī)的研制。該終端采用1 550 nm的下行鏈路、1 064 nm的上行鏈路，能夠在OOK的調(diào)制方式下達(dá)到10 Gbps的下行速率，在PPM的調(diào)制方式下達(dá)到100 Mbps的下行速率。載荷重量小于2 kg，功耗小于20 W，激光發(fā)射功率可達(dá)2 W。該載荷極有可能搭載Blue Canyon的XB1平臺(tái)執(zhí)行深空探測任務(wù)[1]。但由于該終端重量較大，仍不能滿足微納衛(wèi)星應(yīng)用要求，還需要更輕的激光終端。Fibertek Phase Ⅱ 終端如圖2所示。

圖1 微納衛(wèi)星

圖2 Fibertek Phase Ⅱ終端

圖3 OCSD-A和OCSD-B/C終端

1.2 OCSD項(xiàng)目

OCSD（Optical Communications and Sensor Demonstration）是世界上首次在微納衛(wèi)星上開展的激光通信驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。2015年OCSD-A隨Aerocube-7衛(wèi)星發(fā)射，激光通信終端的重量為615 g，功耗為6 W～10 W，Aerocube-7衛(wèi)星指向精度為0.35°的三軸穩(wěn)定度。2016年8月，由于軟件上注升級(jí)后整星進(jìn)行了一次系統(tǒng)重啟，隨后姿控系統(tǒng)工作出現(xiàn)異常，而姿控系統(tǒng)又與激光通信實(shí)驗(yàn)裝置鎖定，因此這次在軌實(shí)驗(yàn)雖然最終未能成功完成激光通信實(shí)驗(yàn)，但相關(guān)技術(shù)得到了一定的驗(yàn)證，為后續(xù)的OCSD-B/C研制提供了有益的經(jīng)驗(yàn)[2]。

此后，Aerospace Corp開展了OCSD-B/C終端項(xiàng)目研制，相比Aerocube-7衛(wèi)星，后面的兩顆衛(wèi)星姿控系統(tǒng)的改進(jìn)使得衛(wèi)星能夠達(dá)到更高的指向精度，激光通信終端的束散角調(diào)整到了(0.1±0.05)°，這使得激光通信終端的輸出功率降低為2 W～4 W。另外，對(duì)激光通信終端進(jìn)行了優(yōu)化，終端高度僅2 cm，終端體積小于0.4 U，重量為360 g[3]。OCSD-A和OCSD-B/C終端如圖3所示。

2018年8月2日，OCSD-B/C衛(wèi)星成功在軌進(jìn)行了100 Mbps的激光下行鏈路測試，完成了微納衛(wèi)星平臺(tái)的首次激光通信星地下行傳輸，對(duì)相關(guān)技術(shù)完成了飛行驗(yàn)證，證明激光通信手段可以作為微納衛(wèi)星應(yīng)用對(duì)地高速傳輸?shù)囊环N新的技術(shù)途徑。Aerocube-11激光終端如圖4所示。

圖4 Aerocube-11激光終端

1.3 ISOC項(xiàng)目

2016年，NASA啟動(dòng)了ISOC（Inter- Satellite omnidirectional Optical Communicator）項(xiàng)目，該項(xiàng)目的目標(biāo)是開發(fā)一個(gè)全向的激光通信設(shè)備，能夠在200 km空間范圍內(nèi)達(dá)到1 Gbps的數(shù)據(jù)速率。該項(xiàng)目無論是全向的設(shè)計(jì)還是高的數(shù)據(jù)速率，對(duì)微納衛(wèi)星激光通信應(yīng)用都是嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。ISOC項(xiàng)目由University of California- Irvine和JPL合作開發(fā)，該團(tuán)隊(duì)完成兩個(gè)全雙工通信的全向通信原型機(jī)。ISOC最終的設(shè)計(jì)目標(biāo)是能夠?qū)崿F(xiàn)如圖5所示的多顆微納衛(wèi)星間的激光通信[4]。

1.4 CLICK項(xiàng)目

2017年，NASA啟動(dòng)了CLICK（Cubesat Laser Intersatellite CrosslinK）項(xiàng)目，該項(xiàng)目由University of Florida、MIT和NASA共同完成，目標(biāo)是用兩顆立方星在近地軌道驗(yàn)證星間激光通信技術(shù)，如圖6所示。

圖6 CLICK項(xiàng)目任務(wù)

項(xiàng)目任務(wù)完成2臺(tái)1.5 U的激光通信載荷，并分別搭載在兩顆3 U的微納衛(wèi)星上，實(shí)現(xiàn)在400 km～ 600 km高度軌道上進(jìn)行雙星間的20 Mbps星間激光通信鏈路傳輸，項(xiàng)目終端采用1 550 nm激光波長。

1.5 VSOTA項(xiàng)目

VSOTA終端是日本情報(bào)通信研究機(jī)構(gòu)NICT（National Institute of Information and Communication Technology）和東北大學(xué)（Tohoku University）聯(lián)合研制的超小型激光發(fā)射模塊，用于驗(yàn)證星地激光通信。

VSOTA的組成如圖7所示。VSOTA主要分為VSOTA-COL和VSOTA-E兩部分，其中VSOTA-COL包括激光準(zhǔn)直發(fā)射和立方鏡兩個(gè)部分，發(fā)射激光波長分別是1 540 nm和980 nm，采用分立光路發(fā)射方案，立方鏡用于裝星標(biāo)校[6]；VSOTA-E為激光二極管驅(qū)動(dòng)電氣部分。依賴衛(wèi)星做粗指向和粗跟蹤，完成激光的指向功能。

圖7 VSOTA終端

2 關(guān)鍵技術(shù)

由于微納衛(wèi)星體積和重量受限，除了平臺(tái)本身重量外，還要搭載遙感和測控設(shè)備，因此，對(duì)搭載載荷的體積、重量和功耗均提出了苛刻的要求。對(duì)于星載激光通信的重量要求一般在1 kg以下，體積以1 U、功耗以數(shù)W為設(shè)計(jì)邊界。這就給星載激光通信終端的設(shè)計(jì)帶來了很大的困難，需要在高精度的PAT、小型化光機(jī)設(shè)計(jì)和專用器件上進(jìn)行重點(diǎn)攻關(guān)。

2.1 高精度協(xié)同PAT技術(shù)

傳統(tǒng)的衛(wèi)星激光通信終端一般包括二維伺服轉(zhuǎn)臺(tái)、光路和電控等部分，其重量很難做到1 kg以內(nèi)，無法滿足微微納衛(wèi)星搭載運(yùn)行的要求。

解決上述問題的技術(shù)手段是去掉衛(wèi)星激光通信終端二維轉(zhuǎn)臺(tái)，利用微納衛(wèi)星平臺(tái)實(shí)現(xiàn)粗瞄準(zhǔn)和粗跟蹤，激光通信終端僅進(jìn)行光束收發(fā)的掃描捕獲和精確跟蹤。由于衛(wèi)星平臺(tái)與星載終端在控制上相對(duì)獨(dú)立，因此需要針對(duì)掃描捕獲和穩(wěn)定跟蹤設(shè)計(jì)獨(dú)立的控制拓?fù)洌瑢?shí)現(xiàn)衛(wèi)星平臺(tái)、天基終端和地面終端協(xié)調(diào)工作，如圖8所示。

圖8 PAT控制拓?fù)?/p>

2.2 小型化光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在無二維轉(zhuǎn)臺(tái)指向情況下，光機(jī)結(jié)構(gòu)將占到通信終端50%以上的重量，而微納衛(wèi)星低重量的要求同樣給光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來了新的挑戰(zhàn)。

主光學(xué)天線：從系統(tǒng)口徑的大小、能量對(duì)比以及尺寸重量等方面綜合考慮后，采用透射式共口徑設(shè)計(jì)方案為宜，發(fā)射和接收共用光學(xué)系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)在于提高了空間使用效率，減少系統(tǒng)重量。

一體化光機(jī)設(shè)計(jì)：針對(duì)小型化需求，在對(duì)光機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，綜合考量材料、熱和力學(xué)需求，將光學(xué)基板、各鏡組、光纖輸入/輸出耦合光路等光學(xué)部件進(jìn)行一體化的光機(jī)設(shè)計(jì)，可以減掉不必要的重量的同時(shí)保持系統(tǒng)力學(xué)性能，相較于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)20%～30%減重。

2.3 復(fù)合光電專用器件

針對(duì)低重量要求和光機(jī)結(jié)構(gòu)小型化要求，在設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)傳輸速率和波長特點(diǎn)，對(duì)傳統(tǒng)激光通信設(shè)備中的器件在功能上進(jìn)行整合。

多功能四象限探測器：采用四象限探測器將跟蹤探測器、通信信號(hào)探測器進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)通信和跟蹤器件一體化，實(shí)現(xiàn)跟蹤接收光路與通信接收光路的一體化，相對(duì)于傳統(tǒng)方法減少空間光路數(shù)量，降低體積和功耗；

基于MEMS快反鏡：針對(duì)微納衛(wèi)星光路輕量化要求，選用MEMS振鏡作為終端精跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)，相對(duì)于傳統(tǒng)的壓電陶瓷快反鏡和音圈電機(jī)快反鏡而言，在重量和功耗上顯著降低。但設(shè)計(jì)中需要針對(duì)空間環(huán)境對(duì)MEMS進(jìn)行必要的可靠性加固。選擇的反射鏡應(yīng)具有較小的動(dòng)態(tài)范圍、較高的伺服帶寬和高穩(wěn)定精度。

3 系統(tǒng)組成

如圖９所示，星間激光通信終端主要由收發(fā)光學(xué)主鏡、濾光片和分光片、MEMS振鏡、分光片、復(fù)合QD探測器、核心控制器及MEMS驅(qū)動(dòng)組成。

圖9 天基終端組成

① 收發(fā)光學(xué)主鏡主要進(jìn)行壓縮光束口徑，對(duì)光束進(jìn)行準(zhǔn)直，完成激光信號(hào)匯聚接收；

② 窄帶濾光片與分光片主要完成將信號(hào)探測光和信號(hào)接收光光束分開；

③ 核心控制器及MEMS驅(qū)動(dòng)主要完成系統(tǒng)綜合控制、通信、光/電信息轉(zhuǎn)換、信息編碼調(diào)制/解調(diào)功能，以及實(shí)現(xiàn)與衛(wèi)星平臺(tái)的信息接口，同時(shí)提供MEMS快反鏡驅(qū)動(dòng)；

④ MEMS振鏡用于對(duì)收發(fā)光束進(jìn)行精確調(diào)整控制；

⑤ QD跟蹤通信復(fù)合探測與綜合電子單元共同完成激光通信鏈路建立和保持通信鏈路的精度和穩(wěn)定性。

最終完成的天基激光終端如圖10所示，天基終端關(guān)鍵指標(biāo)見表１。

圖10 天基終端

表1 天基終端關(guān)鍵指標(biāo)

4 星地對(duì)接試驗(yàn)

2019年11月，CZ-6搭載自主研制的面向微納衛(wèi)星的超小型激光數(shù)傳終端在太原衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射成功。星地對(duì)接示意圖如圖11所示。2019年12月3日，在整星完成調(diào)試后，星載激光通信終端與位于南京朝陽山的專用地面站進(jìn)行第一次星地對(duì)接測試，在本次實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了星地光束的雙向捕獲，捕獲過程中整星對(duì)地面站指向精度優(yōu)于0.1°，終端捕獲范圍小于500 μrad。星地對(duì)接地面接收光斑如圖12所示。

圖11 星地對(duì)接示意圖

圖12 星地對(duì)接地面接收光斑

截止到2021年12月25日，該終端已經(jīng)進(jìn)行了75次星地對(duì)接試驗(yàn)，完成對(duì)捕獲和跟瞄性能、通信距離、通信速率、通信誤碼率等星地激光鏈路參數(shù)測試。在滿足捕獲條件的63次實(shí)驗(yàn)中（考慮天氣、軌道正過頂?shù)纫蛩夭粷M足通信要求），成功捕獲了61次，捕獲成功概率為97%，最大捕獲時(shí)間為27 s（2020.12.25），最小捕獲時(shí)間為0.1 s（無掃描，直接捕獲），平均捕獲時(shí)間為4.5 s，并對(duì)星地跟蹤性能進(jìn)行了測試，其中最大平均誤差為30.1 μrad（3σ），最小平均誤差為18.1 μrad（3σ），誤差均方根23.7 μrad（3σ）。星地通信誤碼率統(tǒng)計(jì)如圖13所示。

目前，具備通信能力的最小通信距離約為570 km，最大可通信距離約為1 230 km，誤碼率在滿足跟蹤后優(yōu)于1×10–6，但受大氣湍流、云等因素影響，誤碼率會(huì)短暫變大（圖13中出現(xiàn)的尖峰），但會(huì)迅速恢復(fù)低誤碼率的狀態(tài)，該試驗(yàn)驗(yàn)證了大氣條件下，微納衛(wèi)星平臺(tái)星地激光通信的可行性。同時(shí)該終端利用衛(wèi)星平臺(tái)的遙感相機(jī)，進(jìn)行了衛(wèi)星遙感照片的下行傳輸驗(yàn)證，積累了數(shù)百Gbit的數(shù)據(jù)。圖14所示為2021年3月11日拍攝的遼寧西部的照片，圖15所示為2021年11月20日拍攝的中國西北的照片。

圖13 星地通信誤碼率統(tǒng)計(jì)

圖14 2021年3月11日拍攝遼寧西部照片

圖15 2021年11月20日拍攝中國西北的照片

5 結(jié)束語

隨著微納衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，目前，國內(nèi)外微納衛(wèi)星激光通信終端研制成為熱點(diǎn)。相對(duì)于傳統(tǒng)星載激光通信終端，微納衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)需要在平臺(tái)與終端協(xié)同PAT、小型化光機(jī)結(jié)構(gòu)和輕量化專用部組件上重點(diǎn)攻關(guān)?；谙嚓P(guān)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，英田光學(xué)研制了超小型天基終端（0.7 U、0.76 kg、7.2 W），并完成了星地570 km～1 230 km星地對(duì)接試驗(yàn)，跟蹤精度優(yōu)于18.1 μrad，通信速率10/50/100 Mbps，平均誤碼率優(yōu)于1×10–6，通過該試驗(yàn)驗(yàn)證了相關(guān)技術(shù)，相關(guān)結(jié)果可用于我國未來微納遙感衛(wèi)星的對(duì)地高速數(shù)傳。

[1] HAZZARD D A, MACCANNELL J A, LEE G, et al. Lightweight optical wavelength communications without a laser in space[C]//14th Annual/USU Conference on Small Satellites, 2018.

[2] ROWEN D, JANSON S, COFFMAN C, et al. The NASA optical communications and sensor demonstration program: proximity operations[C]//32nd Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites,2018.

[3] ROSE T, ROWEN D, LUMONDIERE S L, et al. Optical communications downlink from a 1.5 U Cubesat: OCSD program[C]// Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering,2018.

[4] CADENCE P, ANGELA C, PAUL S, et al. Laser crosslink atmospheric sounder to investigate the effects of deep convection on ozone[C]//32?nd? Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites. SSC18-VII-06, 2018.

[5] VELAZCO J E, GRIFFIN J, WERNICKE D, JANZEN A, et al. High data rate inter-satellite omnidirectional optical communicator[C]//32nd Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites,SSC18-WKI-02, 2018.

[6] SHAY T M, HAZZARD D A, MACCANNELL J A, Et al. First experimental demonstration of full-Duplex optical communications on a single laser beam[C]//15th Annual/USU Conference on Small Satellites,2017.

System technology of data transmission with laser for micro-nano satellites

WU Shichen, LI Fazhi, YANG Yujun, ZHOU Ziyuan, LI Wenzong, XIE Xuebin

（Nanjing Intane Optical Engineering Co., Nanjing 210000, China）

For the high-speed data transmission requirements of remote sensing micro-nano satellites to the earth, the system technology of data transmission with laser for micro-nano satellites has been studied. The key technologies such as the high-precision cooperating PAT between micro-nano satellites and laser communication terminals, the light and small space-based terminals, composite photoelectric construction and so on, have been studied. The development of space-based laser communication terminal and ground laser communication terminal for the micro-nano satellite have been completed, and the demonstration experiment of laser communication between micro-nano satellite and ground laser communication terminal also has been completed. The 1 230 km satellite ground data transmission with 10/50/100 Mbps satellite ground data transmission has been realized, and the relevant technologies have been verified, which provides an ideal satellite ground data transmission means for the follow-up micro nano satellite remote sensing to the earth in China.

Micro-nano Satellites; Data transmission with laser; Remote sensing applications; PAT

TN929.13

A

CN11-1780(2022)04-0119-07

10.12347/j.ycyk.20220505002

吳世臣, 黎發(fā)志, 楊玉軍, 等.面向微納衛(wèi)星應(yīng)用的激光數(shù)傳技術(shù)[J]. 遙測遙控, 2022, 43(4): 119–125.

10.12347/j.ycyk.20220505002

: WU Shichen, LI Fazhi, YANG Yujun, et al. System technology of data transmission with laser for micro-nano satellites[J]. Journal of Telemetry, Tracking and Command, 2022, 43(4): 119–125.

吳世臣（hitivy2009@126.com）

2022-05-05

2022-07-01

Website: ycyk.brit.com.cn Email: ycyk704@163.com

吳世臣 1982年生，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榧す鉄o線能量傳輸、激光無線通信技術(shù)。

黎發(fā)志 1986年生，博士，教授，主要研究方向?yàn)榧す鉄o線通信光學(xué)設(shè)計(jì)。

楊玉軍 1988年生，本科，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榫芄鈱W(xué)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

周子元 1973年生，碩士，主要研究方向?yàn)榧す馔ㄐ偶夹g(shù)。

李文宗 1989年生，碩士，主要研究方向?yàn)榫芄鈱W(xué)結(jié)構(gòu)加工工藝。

解學(xué)彬 1994年生，本科，主要研究方向?yàn)榧す鉄o線通信PAT技術(shù)。

(本文編輯：楊秀麗)