環(huán)月-地面激光通信鏈路運(yùn)動(dòng)特性分析與設(shè)計(jì)

李曉亮,劉榮科,劉向南,周楊,趙卓

1.北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,北京 100191 2.北京遙測(cè)技術(shù)研究所,北京 100094

1 引言

隨著航天技術(shù)與空間科學(xué)的飛速發(fā)展,深空探測(cè)已成為人類航天活動(dòng)的重要方向[1]。深空探測(cè)任務(wù)多樣化發(fā)展的同時(shí)對(duì)深空航天器通信系統(tǒng)提出了高速化、輕量化和小型化的應(yīng)用需求。激光通信具有通信速率高、方向性強(qiáng)以及終端體積小、重量輕、功耗低等特點(diǎn),可滿足未來(lái)深空探測(cè)活動(dòng)對(duì)高速率通信、超遠(yuǎn)距離傳輸、星際互聯(lián)組網(wǎng)應(yīng)用等需求,在未來(lái)的深空探測(cè)領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景[2-4]。

深空激光通信鏈路面臨信號(hào)空間衰減大、強(qiáng)背景光干擾、大氣影響嚴(yán)重等問題,使得其技術(shù)難度和經(jīng)費(fèi)投入均比近地衛(wèi)星激光通信要大得多[2]。得益于良好的空間激光通信技術(shù)研究基礎(chǔ),美國(guó)在2013年率先開展了月地激光通信在軌演示驗(yàn)證(lunar laser communication demonstration,LLCD),采用測(cè)距通信一體化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了環(huán)月飛行終端與地面站相距40萬(wàn)千米的激光通信,其下行通信速率達(dá)622Mbit/s,上行通信速率為20Mbit/s,測(cè)距精度優(yōu)于1cm[5-6]。LLCD驗(yàn)證了月地激光通信的可行性,充分展示了深空激光通信的優(yōu)越性,為后續(xù)深空激光通信計(jì)劃的實(shí)施提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。LLCD在軌試驗(yàn)的成功也表明月地激光通信是邁向深空應(yīng)用的第一步,促使各航天大國(guó)或組織對(duì)月地激光通信的研究再次進(jìn)入了活躍期。美國(guó)未來(lái)將重點(diǎn)開展用于深空探測(cè)和行星探測(cè)的激光通信計(jì)劃,歐空局也在計(jì)劃實(shí)施深空激光通信試驗(yàn)項(xiàng)目。中國(guó)計(jì)劃將在探月工程四期開展地月激光通信技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)[1]。結(jié)合月地鏈路空間傳輸信道的特點(diǎn),在未來(lái)的應(yīng)用中,月地激光通信鏈路可能存在“月地直接信息傳輸鏈路”和基于“月面或環(huán)月軌道衛(wèi)星-地球中繼軌道衛(wèi)星-地面站”的“月地中繼信息傳輸鏈路”兩種應(yīng)用模式[2,4,7]。其中,環(huán)月飛行器-地面站激光通信鏈路是發(fā)展中國(guó)深空測(cè)控網(wǎng)激光通信系統(tǒng)可能的技術(shù)途徑之一,相比于構(gòu)建基于星間鏈路的射頻/光學(xué)混合通信網(wǎng)絡(luò),其代價(jià)較小[1]。因此,對(duì)這種月地激光鏈路的研究具有十分重要的實(shí)際意義。

隨著衛(wèi)星激光通信技術(shù)的不斷發(fā)展,國(guó)內(nèi)外學(xué)者在近地軌道衛(wèi)星星間激光通信鏈路軌道特性仿真、雙向光束穩(wěn)定跟蹤約束條件分析以及星間無(wú)信標(biāo)光捕跟瞄等方面開展了相關(guān)研究[8-14],并報(bào)道了月面對(duì)地直接信息傳輸激光鏈路的相關(guān)研究成果[15]。目前文獻(xiàn)針對(duì)環(huán)月飛行終端-地面站激光通信鏈路運(yùn)動(dòng)特性的研究較少。本文針對(duì)環(huán)月飛行終端-地面站激光通信鏈路應(yīng)用場(chǎng)景,仿真分析了環(huán)月飛行終端-地面站激光通信鏈路的主要運(yùn)動(dòng)特性及設(shè)計(jì)約束條件,并對(duì)月地直接信息傳輸下行鏈路進(jìn)行了功率預(yù)算分析。

2 鏈路模型

環(huán)月飛行器-地面站激光通信鏈路主要由環(huán)月衛(wèi)星激光終端和深空激光地面站組成,圖1為環(huán)月飛行器-地面站激光通信鏈路示意。

為了便于分析環(huán)月飛行終端-地面站激光通信鏈路運(yùn)動(dòng)特性,給出了環(huán)月飛行器、地面站和太陽(yáng)的幾何關(guān)系,其中將地球地心記為O,環(huán)月飛行器記為P,激光地面站記為E,太陽(yáng)記為S,月球月心記為M。

2.1 鏈路跟蹤角度

研究地面站與環(huán)月飛行終端的幾何關(guān)系,主要是求算地面站跟蹤環(huán)月飛行終端的俯仰角和方位角等參數(shù),以此為月地激光通信鏈路設(shè)計(jì)提供依據(jù)。如圖2所示,可以算出激光地面站的俯仰角ε和方位角α。

圖2 環(huán)月飛行器與地面站的幾何關(guān)系示意Fig.2 Schematic diagram of geometric relationship between circumlunar terminal and ground station

地面站到飛行終端之間的俯仰角ε和方位角α滿足如下公式:

(1)

式中:β為飛行器星下覆蓋區(qū)對(duì)應(yīng)地球的半中心角,滿足

cosβ=cos (λE-λP)cosφPcosφE+

sinφPsinφE

(2)

tanα=

(3)

(4)

(5)

式中:(λE,φE)為地面站經(jīng)緯度;(λP,φP)為飛行器的星下點(diǎn)經(jīng)緯度;RE為地球半徑;H為飛行器與地面的距離。

此外,由地面站與飛行終端之間帶來(lái)的時(shí)間延遲和相對(duì)運(yùn)動(dòng),將引起一定的視軸指向誤差,因激光光束的束散角非常窄(幾十微弧度),需要對(duì)此視軸指向誤差進(jìn)行補(bǔ)償和修正,以降低激光波束的能量損失。

由延遲時(shí)間引起的提前指向角φ表達(dá)式為:

(6)

式中:△v為環(huán)月飛行終端與地面站的相對(duì)運(yùn)動(dòng)線速率差;c為光速。

2.2 鏈路可見性

環(huán)月飛行器在繞月運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中,其與激光地面站的通信視軸將會(huì)受到地球和月球的遮擋的影響,導(dǎo)致通信中斷。因此,在鏈路設(shè)計(jì)時(shí)需分析因視軸遮擋引起的通信中斷問題,評(píng)估通信鏈路的可見性。

如圖3所示,當(dāng)在t1時(shí)刻,若飛行終端與地面站的通信視軸剛好進(jìn)入月球遮擋區(qū)域,此時(shí)滿足如下邊界條件:

圖3 環(huán)月飛行器、地面站和太陽(yáng)的幾何關(guān)系示意Fig.3 Schematic diagram of geometric relationship of circumlunar terminal,the ground station and the sun

(7)

MD·ED=0

(8)

當(dāng)在t2時(shí)刻,若飛行終端與地面站的通信視軸剛好進(jìn)入地球遮擋區(qū)域,此時(shí)滿足如下邊界條件:

(9)

2.3 太陽(yáng)光干擾

對(duì)于月地激光通信鏈路,當(dāng)遭遇日凌或通信兩端的視軸與太陽(yáng)光的夾角過(guò)小時(shí),太陽(yáng)光將引起探測(cè)器飽和或者信噪比急劇下降,導(dǎo)致鏈路無(wú)法建鏈和通信。因此,必須考慮太陽(yáng)對(duì)激光鏈路的干擾情況。

如圖3所示,當(dāng)在t2時(shí)刻,若太陽(yáng)-飛行終端-地面站三者的連線SPE(sun-probe-earth)角或SEP(sun-earth-probe)角小于激光終端半個(gè)接收視場(chǎng),此時(shí)激光通信鏈路將出現(xiàn)日凌現(xiàn)象,無(wú)法進(jìn)行激光通信。此時(shí)太陽(yáng)對(duì)激光通信終端造成影響的充要條件為:

(10)

式中:FOVE和FOVP分別對(duì)應(yīng)地面站和飛行終端的接收視場(chǎng)。

2.4 鏈路多普勒頻移

激光通信鏈路多普勒頻移的大小及變化特性是影響激光通信體制選取的關(guān)鍵因素之一。因此,對(duì)于環(huán)月飛行器相對(duì)于地面站的多普勒頻移fd滿足如下關(guān)系:

(11)

式中:v∥為沿環(huán)月飛行終端與地面站激光傳播方向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速率(即徑向相對(duì)速率分量);λ為激光載波波長(zhǎng);θ為飛行終端與地面站相對(duì)速度與光束傳播方向的夾角。

3 軌道特性仿真分析

基于以上分析,結(jié)合中國(guó)深空探測(cè)發(fā)展特點(diǎn),通過(guò)軟件仿真,討論了環(huán)月終端對(duì)地激光通信鏈路的運(yùn)動(dòng)特性。其中,環(huán)月飛行器的軌道參數(shù)參照嫦娥二號(hào)衛(wèi)星軌道參數(shù),環(huán)月衛(wèi)星軌道為100km[16];深空激光地面站選取喀什、阿根廷站[1,17]。結(jié)合月球中繼衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì),對(duì)采用環(huán)月衛(wèi)星-月球中繼衛(wèi)星-地面站的激光鏈路的運(yùn)動(dòng)特性也進(jìn)行了仿真和對(duì)比分析。其中,月球中繼軌道選擇了雙星共面橢圓星座[18]。

3.1 鏈路可見性

鏈路可見性是評(píng)估鏈路應(yīng)用效能的重要因素之一。在地球、月球遮擋期內(nèi),月地激光通信鏈路將無(wú)法工作。因此,在鏈路總體設(shè)計(jì)之初,需重點(diǎn)評(píng)估鏈路的可見性。為此,對(duì)月地直接信息傳輸鏈路和月地中繼信息傳輸鏈路兩種場(chǎng)景的可見時(shí)間進(jìn)行了對(duì)比分析。

表1給出了一個(gè)月內(nèi)兩種通信鏈路的可見性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。由鏈路總可見時(shí)間可知,在一個(gè)月的時(shí)間內(nèi),相比于月地直接信息傳輸方案,采用雙星共面橢圓星座的中繼方案后,月地中繼鏈路的可見時(shí)間分別提升了16.1%(喀什站)和18.6%(阿根廷站)。因此,僅從地球、月球遮擋影響來(lái)說(shuō),采用雙星共面橢圓星座的月地中繼信息傳輸鏈路的可見時(shí)間更長(zhǎng)。而對(duì)于地面站,在直傳和中繼兩種月地激光鏈路情況下,喀什站與環(huán)月飛行終端在月地直接信息傳輸鏈路和中繼鏈路兩種場(chǎng)景中的總可見時(shí)間與阿根廷站相比,分別延長(zhǎng)了約4.5%和6.5%。

表1 一個(gè)月內(nèi)環(huán)月-地面激光鏈路可通時(shí)間對(duì)比Table 1 Access time between the circumlunar terminal and the ground station in one month

圖4給出了一個(gè)月內(nèi)喀什站、阿根廷站分別與環(huán)月終端建立直傳鏈路的可見時(shí)間弧段分布。因此,對(duì)于嫦娥二號(hào)飛行終端,選用喀什站更利于月地激光通信。

圖4 喀什站、阿根廷站與環(huán)月終端直傳鏈路可見時(shí)間Fig.4 Access time of laser terminal to Kashi and Argentina Stations

3.2 太陽(yáng)光干擾

月地激光通信鏈路不僅會(huì)受到地球、月球遮擋中斷外,還會(huì)受到日凌的影響,即當(dāng)太陽(yáng)、地球和飛行終端三者之間的角度SEP或SPE很小時(shí),通信鏈路也有會(huì)發(fā)生中斷。圖5給出了一年內(nèi)SEP和SPE角的變化曲線,由該曲線可知在統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)SEP角有50%的時(shí)間小于90°,意味著飛行終端將會(huì)長(zhǎng)期受到地球日間天空背景光的干擾。同時(shí),該環(huán)月終端對(duì)地鏈路的SEP或SEP角近似呈周期性變化,每隔約15天出現(xiàn)一次極小值;全年SEP角最小值0.031°出現(xiàn)在夏至日和冬至日,此時(shí)入射至接收視場(chǎng)內(nèi)的太陽(yáng)光強(qiáng)度將遠(yuǎn)高于激光信號(hào)強(qiáng)度,造成通信失效或者中斷。若選擇太陽(yáng)規(guī)避角為3°,由仿真數(shù)據(jù)可知,一年內(nèi)SEP角和SPE角均小于3°的時(shí)間占比為1%。太陽(yáng)光的干擾將會(huì)減少月地鏈路的可用時(shí)間。因此,激光終端設(shè)計(jì)時(shí)需考慮日凌的規(guī)避措施以及抗日光干擾設(shè)計(jì)。

圖5 月地激光鏈路SEP和SPE夾角變化曲線Fig.5 SEP and SPE angle of lunar to ground laser link

3.3 鏈路跟蹤角度

月地激光鏈路在不同時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的跟蹤角度是動(dòng)態(tài)變化的,跟蹤角度的大小將直接影響伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式。因此,為了設(shè)計(jì)合理的伺服轉(zhuǎn)臺(tái),在鏈路設(shè)計(jì)時(shí)需首先分析鏈路跟蹤角度范圍。通過(guò)對(duì)一個(gè)月內(nèi)環(huán)月終端相對(duì)兩個(gè)地面站鏈路運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的分析可知,環(huán)月終端相對(duì)兩個(gè)深空站的跟蹤角度范圍相近。由表2的數(shù)據(jù)可知,環(huán)月終端視軸的方位角變化范圍約為-180°～+180°,方位角速率變化范圍約為-1～+1(°)/s,俯仰角變化范圍為-19°～+89.7°,俯仰角速率變化范圍為-0.05～+0.05(°)/s。圖6給出了環(huán)月終端相對(duì)阿根廷站的跟蹤角度變化曲線。

表2 鏈路距離及跟蹤角度仿真數(shù)據(jù)Table 2 Simulation of link distances and tracking angle

圖6 環(huán)月終端相對(duì)喀什站鏈路跟蹤角度變化曲線Fig.6 Tracking angle of link between circumlunar terminal and Kashi station

由表2可知,地面站視軸的方位角變化范圍為-180°～+180°,方位角速率變化范圍為-0.0149 ～+0.0019(°)/s,俯仰角變化范圍為0°～+75.2°,俯仰角速率變化范圍為-0.0034～ +0.0034(°)/s。圖7給出了喀什地面站相對(duì)環(huán)月終端的跟蹤角度變化曲線。

圖7 喀什站相對(duì)環(huán)月終端鏈路跟蹤角度變化曲線Fig.7 Tracking angle of link between Kashi station and circumlunar terminal

由前文分析可知,對(duì)于月地激光鏈路,還須考慮因相對(duì)運(yùn)動(dòng)和時(shí)間延遲引起的提前指向角,通過(guò)仿真及式(6)求解得到對(duì)月地直接信息傳輸鏈路和月地中繼信息傳輸鏈路兩種場(chǎng)景的提前指向角變化曲線。為統(tǒng)計(jì)提前指向角的周期變化,給出了環(huán)月衛(wèi)星到喀什地面站鏈路一個(gè)半月內(nèi)的提前指向角變化情況如圖8所示,此時(shí)提前指向角的變化范圍為0～18.2μrad。因此,須對(duì)月地激光鏈路進(jìn)行指向角度的提前量補(bǔ)償。

圖8 環(huán)月終端相對(duì)喀什站鏈路提前指向角度變化曲線Fig.8 Point ahead angle of link between Kashi station and circumlunar terminal

3.4 鏈路多普勒頻移

根據(jù)仿真結(jié)果可知,月地間的多普勒頻移呈現(xiàn)近似周期的變化。圖9給出了一個(gè)月內(nèi),環(huán)月飛行終端到地面站的激光多普勒頻移變化曲線?？芍?當(dāng)激光波長(zhǎng)為1550nm時(shí),對(duì)應(yīng)的多普勒頻移量約為±1.28GHz,多普勒頻移變化速率達(dá)1MHz/s。通過(guò)上述分析,在通信體制選取時(shí)需考慮上述多普勒頻移的變化特性。

圖9 環(huán)月飛行終端-地面站激光多普勒頻移Fig.9 Doppler frequency shift between ground station and circumlunar terminal

4 月地激光通信鏈路設(shè)計(jì)建議

4.1 激光通信體制選取

通信體制的選取是開展月地激光通信鏈路設(shè)計(jì)的第一步。由國(guó)內(nèi)外深空激光通信發(fā)展歷程可知,空間激光通信體制主要有OOK調(diào)制/直接探測(cè)、PPM調(diào)制/直接探測(cè)兩種非相干探測(cè)體制以及DPSK調(diào)制/自差接收、PSK調(diào)制/相干接收兩種相干探測(cè)體制。其中,PPM調(diào)制/直接探測(cè)體制帶寬利用率低,不利于高速率通信。但該體制信號(hào)光脈沖時(shí)隙占空比低,在平均激光功率受限的條件下,易于獲取更高的脈沖峰值功率;同時(shí),由于該體制可采用超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器,因此可以實(shí)現(xiàn)單光子的接收靈敏度。上述兩種因素使得該體制更適用于碼速率要求不是太高,但鏈路距離遙遠(yuǎn)的月地及深空激光鏈路[19]。此外,對(duì)于本文分析的環(huán)月飛行終端到地面站的激光多普勒頻移變化特性,采用PPM調(diào)制/直接探測(cè)體制可以適應(yīng)±1.28GHz的多普勒頻移量和1MHz/s的多普勒頻移變化率。

綜上分析,對(duì)于體積、重量和功率嚴(yán)格受限的月地及深空激光鏈路,其對(duì)高效率發(fā)射和高靈敏度接收的需求遠(yuǎn)高于其他因素。因此,綜合對(duì)比各通信體制的技術(shù)復(fù)雜度、接收靈敏度及適用場(chǎng)景,PPM調(diào)制/單光子探測(cè)體制是當(dāng)前月地及深空激光通信的首選。

4.2 月地激光通信鏈路功率預(yù)算

月地激光通信下行鏈路為高速通信。結(jié)合前文鏈路運(yùn)動(dòng)特性分析,對(duì)月地直接信息傳輸下行鏈路開展功率預(yù)算分析,月地激光通信鏈路方程滿足如下關(guān)系:

式中:Pt為信號(hào)光發(fā)射功率;Pr為接收光功率;Gt為天線發(fā)射增益;Gr為天線接收增益;ηt為光學(xué)系統(tǒng)發(fā)射效率;ηr為光學(xué)系統(tǒng)接收效率;ηP為對(duì)準(zhǔn)失配損耗;Lz為自由空間損耗;ηother為其他損耗,包括大氣損耗和單光子探測(cè)阻塞損耗等;Dt為發(fā)射天線直徑;Dr為接收天線直徑;θ為離軸角度;θdiv為激光發(fā)散角;Z為通信鏈路距離。

根據(jù)表3所示的鏈路功率預(yù)算分析可知,若環(huán)月飛行終端采用1.55μm波段激光載波,當(dāng)發(fā)射功率為4W,通信體制為16PPM,發(fā)射束散角40μrad時(shí),深空激光地面站采用1.8m口徑的接收天線和超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器陣列接收,可實(shí)現(xiàn)月地410000km下行的622Mbit/s通信速率,對(duì)應(yīng)鏈路功率余量為3.4dB。后續(xù)對(duì)超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器的探測(cè)效率、解調(diào)損失等性能進(jìn)行優(yōu)化,可以進(jìn)一步提升月地激光鏈路的通信速率,以滿足未來(lái)月地激光通信鏈路的應(yīng)用需求。

表3 月地直接信息傳輸下行鏈路功率預(yù)算Table 3 Power budget of lunar to ground laser link

5 結(jié)論

結(jié)合中國(guó)深空地面站的分布特點(diǎn),依據(jù)月地激光通信鏈路的運(yùn)動(dòng)特性以及功率預(yù)算分析結(jié)果可知,若環(huán)月飛行終端采用1.55μm波段激光載波,當(dāng)發(fā)射功率為4W,通信體制為16PPM,深空激光地面站采用1.8m的接收天線和超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)接收時(shí),可以實(shí)現(xiàn)月地下行622Mbit/s通信速率。以上分析和設(shè)計(jì)可為中國(guó)月地激光通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定參考。