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空间激光通信技术研究综述

发布时间:2018-08-30 12:51

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  摘要:空间激光通信是目前相对较先进的一种通信技术,相比于传统的微波通信,它具有很多不可比拟的优势。本文首先概述了研究空间激光通信技术的必要性,接着分析了空间激光通信技术的系统组成、基本原理、关键技术及其优势,然后按照时间顺序详细地论述了国外空间激光通信技术的发展历史及研究现状,并对我国空间激光通信技术的研究做了简明介绍,最后详细分析了该技术的应用前景以及发展新动向,并在结论部分给出了当前激光通信技术所达到的最新水平。


  关键词:空间激光通信;星际链路;通信模式;


  作者简介:李静,女,1983年出生,河南南阳,博士,讲师,主要从事目标识别、无线通信方面的研究。


  0引言


  人类通信的历史源远流长,从古代的狼烟通信、驿站通信,到现代的电报电话通信、无线电通信、光纤通信等,不仅仅是通信手段发生了巨变,而且也空前地改变了人类的生活方式。今天,科技发展日新月异,空中、地面、水下都已经被开辟为广阔的通信空间,采用高频激光进行空间卫星通信已成为现代通信技术发展的新焦点。有专家测算,在理想的情况下,用激光作载体进行空间卫星通信,若话路带宽为4千赫,则可容纳100亿条话路;若彩色电视带宽为10千赫,则可同时传送100万套节目而互不干扰,届时,人们的生活将更加丰富多彩。与此同时,航天、航空、航海等都对空间激光通信技术提出了迫切需求。


  1空间激光通信技术系统组成、关键技术及原理


  空间激光通信也称为无线光通信,它是指利用激光束作为载波在空间直接进行语音、数据、图像等信息传输的一种技术??占浼す馔ㄐ畔低乘堑钠教ㄓ猩羁仗讲馄?、GEO卫星、LEO卫星空间站、临近空间平台、航空平台、地面平台、水面平台等,不同平台间可构成不同的空间激光通信链路。其突出特点是是搭载在运动平台上,以激光器作为光源,并以小束散角发射,实现高速率、远距离信息传输。例如,星际激光通信系统、星地激光通信系统、空空激光通信系统等。


  空间通信技术的基本原理实质上就是,信息电信号通过调制加载在激光上,通信的两端通过初定位和调整,再经过光束的捕获、瞄准、跟踪建立起光通信链路,然后再通过光在真空或大气信道中传输信息??占浼す馔ㄐ畔低嘲凑展δ苤饕治韵录父霾糠郑汗庠聪低?、发射和接收系统、信标系统、捕获、瞄准和跟踪系统四大块。下面将分别对其进行讨论。


  (1)光源系统


  在卫星激光通信中,通信光源具有十分重要的作用,他直接影响天线的增益、探测器件的选择、天线直径等参量。常用激光器为波长在800~850nm范围的AlGaAs激光器,该波长范围内的APD探测器件工作在峰值,量子效率高、增益高。采用倍频Nd:YAG激光器或氩离子激光器得到的波长在514~532nm的激光器是星上激光光源的良好选择。


  (2)发射和接收系统


  这是空间激光通信的关键系统之一,激光发射机实质上就是光源、调制器和光学天线的级联,而接收机则可看成是接收天线和探测器、解调器的级联。调制的作用是将需要发射的信号调制到光载波上;探测、解调是通过光电转换器件将光信号转换为电信号。探测部分还包括滤波、放大部分,该部分也是卫星光通信系统中必不可少的。


  (3)信标系统


  在空间激光通信系统中,通信信号光束发散角非常小,因此如果利用信号光束进行捕获、瞄准将会是非常困难的过程。所以在其中要单独设立一个激光信标系统。信标光束主要是给瞄准、捕获过程提供一个较宽的光束,以便在扫描过程中易于探测到信标光束,然后进行后面的调整过程。


  (4)捕获、瞄准和跟踪系统


  捕获、瞄准和跟踪系统几乎可以说是整个空间激光通信系统的心脏,也是空间激光通信技术的难点、重点。各个国家在对空间激光通信系统的研究中,都提出了一些捕获、瞄准、跟踪方案,并对相当一部分方案进行了实验室模拟。这些方案在探测时的扫描方式以及探测、跟踪传感器的选择等方面都有所不同,但实际采用的捕获、瞄准、跟踪方案是基本一致的。


  2空间激光通信的优势


  空间激光通信是在外层空间进行的通信,由于具有损耗小、成本低、容量大、光定向性好等优点,在超大容量长距离数字通信系统中,尤其适用于星际链路间长距离、干线通信。它比地面光缆拥有更高宽带的数据、视频和语音转播等多项通信能力。因此,现代卫星通信的重要方向就是自由空间中卫星激光通信。


  自由空间激光通信是利用激光作为载体,在自由空间中进行信息和数据的传输。激光的频率单纯,能量高度集中,波束非常细密,波长介于微波与红外线之间,因此,利用激光所特有的高强度、高单色性、高相干性和高方向性等诸多特性,进行星际间链路通信,就可具备容量更大、增益更高、速度更快、抗干扰性更强和保密性更好的一系列优点,从而使激光成为发展空间卫星通信的最理想载体。


  3国内外空间激光通信历史及现状


  美国是世界上开展空间激光通信研究最早的国家,于20世纪60年代中期就开始实施空间激光通信方面的研究计划,欧洲和日本也先后于70年代末和80年代中期开始研究,到20世纪80年代末90年代初,日本、美国、欧洲空间总署先后制定了发展卫星间激光通信的研究计划,对卫星与地面之间、地球轨道同步卫星与近地轨道卫星之间、地球轨道同步卫星之间的激光通信技术都进行了深入研究,初步的设计方案及模拟演示系统也达到了理想的效果。当时美国率先进行的海岛与海岛之间的激光通信,作用距离可达到240公里;在飞机与地面站的激光通信试验中,当飞机位于1100米高度时,作用距离达到了20~30公里。1995年,美国与日本两颗相距3.9万公里的卫星实现了互联,并完成了8分钟的激光通信。到现在欧美日在空间激光通信技术领域已经取得了相当瞩目的成绩。


  1985年,欧洲空间局研制了SILEX系统,在试验的基础验证卫星间激光通信的所有技术。系统从SPOT-4上的低轨道终端向ARTEMIS上的同步轨道终端传输50Mb/s的数据。同时在ARTEMIS上还装备有一个定位装置,可使其系统上的望远镜(亦即光学天线)对准SPOT_4后其他任何低轨道高度大于1000km的LEO空间飞行器,并向GEO终端传送2Mb/s的数据。


  1989年,在德国政府支持下,空间固体激光通信试验(SolidStateLaserCommunicationsinSpace,SOLACOS)开始实施,它是一个高码率卫星间激光通信计划。该项目建立了完整的计算机仿真系统,同时制造了一套用于测试的试验模拟系统,其试验模型于1997年完成。该终端采用固体激光器和相干接收,波长1064nm、发射功率1W的Nd:YAG激光器,通信速率可达650Mb/s。SOLACOS终端发射孔径150ram,质量70kg??梢杂美唇行俏始す馔ㄐ藕托堑丶す馔ㄐ?。


  1994年,美国JPL实验室研制成功OCD通信端机演示系统,数据率可达250Mb/s,通信波长采用800nm波段,用OOK调制方式。它具有结构简单、质量轻(15kg)、体积小、功耗低等特点。


  1995年,在NASA的资助下,美国Ball公司完成了LCDS系统(LaserCommunicationDemonstrationSystem)。该系统具备1Gb/s的LED—GEO、距离为40000km的GEO-LEO星际通信和GEO-航空平台激光通信能力,系统重量84磅(约37.8kg),功耗96W。


  1996年,美国TT公司首次成功地进行了飞机对地面站间的激光通信试验,飞机的飞行高度11km,飞机距地面站距离20km~30km,传输速率1Gb/s。


  1998年,ESA成功研制了光学演示终端SROIL(ShortRangeOpticalIntersatelliteLink)。该终端的发射机以半导体激光器泵浦的1064nm波长Nd:YAG激光器作为光源,相干体制的接收机采用二进制相移键控调制方式和零差探测,通信系统的发射天线孔径为350nm,通信码率1.5Gb/s,误码率低于10-6,总质量为15kg,功率为40w。


  1999年,TT公司还使用T39A飞机为搭载平台进行了飞机一飞机间激光链路通信试验,飞行高度约为40000英尺(约12192km),通信距离50km~500km,速率1Gb/s,误码率10-6。


  2000年,日本研制了用于国际空间站(ISS)对地的双向超高速光通信端机LCDE(LaserCommunicationDemonstrationEquipment),其上行码率为1.2Gb/s,下行码率为2.5Gb/s,使用1550nm波段作为通信光,功耗小于115W,质量小于90kg。


  同年,JPL成功建立了一套高鲁棒APT子系统,该子系统在OCD基础上进行改进,通信速率2.5Gb/s,通信波长1550nm,发射功率200mW。


  也是在这一年,在BMDO资助下,TT公司研制STVR-2卫星通信LCT光端机和地面光端机。将LCT作为TSX-5卫星有效载荷之一,2001年开展星地激光通信演示验证。


  2005年,日本的OICETS(LEO)与ESA的ARTEMIS卫星(GEO)成功实现数据传输。


  2006年12月,法国国防部采办局(DGA)与欧洲航空防务与空间公司(EADS)进行了机载激光链路技术演示器(LOLA)的演示试验,第一次实现了地球同步卫星和飞机之间激光通信。先后开展了近50余次的空一星激光通信试验。通信距离40000km、通信速率50Mb/s、飞机海拔高度9km。


  2008年3月,德国TerraSAR-X卫星与美国NFIRE卫星问实现距离为5000km的星际相干激光通信,通信速率5.65Gb/s,通信波长为1064nm。使用口径为125mm的望远镜,终端质量小于30kg,功耗低于130W。该终端采用二进制相移键控调制,检测方式是零差相干检测。


  我国空间激光通信研究与欧、美、日相比起步较晚,已进行了关键技术、原理样机和野外试验等研究,并开始部分工程化研究??箍占涔馔ㄐ叛芯康牡ノ恢饕泄豕ひ荡笱?、北京大学、电子科技大学、上海光机所、航天504所、长春理工大学等。目前已取得一定成果。


  2010年8月研制出7.5G速率空间激光通信系统,并在在青海省青海湖成功进行了7.5G速率40km距离的自由空间激光通信试验。


  在国内,目前空间光通信技术的发展才处于初级阶段,及时了解空间光通信的最新动向,以及领航者的研究布局,对我们发展空间光通信具有很强的借鉴和指导意义。


  4空间激光通信的应用前景及发展趋势


  空间激光通信技术作为一种很优越的通信手段,应用前景十分广阔。


  首先它既可以作为实现全球个人通信的重要技术选择,又可以解决宽带网络“最后一公里”的瓶颈。具有十分广阔的市场和美好的应用前景。星间激光通信将成为建立全天候综合信息网和区域天基综合信息主干线的必要通信手段,也必将成为未来移动通信和全球多媒体通信的一个必不可少的环节。


  近地面的FSO可以解决通信宽带网络的最后一公里的接入问题,从而实现光纤到桌面,完成语音、数据、图像的高速传输,拉动声讯服务业和互动影视传播,实现“三网融合”,有利于电子政务、电子商务和远程教育及远程医疗的发展,并将产生巨大的经济和社会效益。在一下几个方面也将得到广泛的应用:光纤通信网的完善和延伸,有效提高光通信网的覆盖面;重要光纤通信链路的备份,多根不同路径的光纤备份方式通常不可实现且耗资巨大,利用近地的空间激光通信(FSO)作为光纤备份既经济又方便;不便铺设光纤场合的宽带通信,如大城市繁华地带的公司内部的两幢大楼之间,地形险恶的两通信枢纽站之间的宽带通信;保密通信,如银行、工商及公司内部涉密信息的宽带传输等;快速部署机动通信,如因战争或水灾、山体滑坡等导致的两个光纤节点之间的通信恢复;空间立体网络组建;光纤、微波、FSO混合网络的组建等。


  军事上,空间激光通信可广泛应用于军事野战通信网、空间机群指挥、海上舰艇编队间无线电静默期间通信、战时应急通信。具体地,可架在高山之间完成边防哨所和森林观察的通信;可以临时架设解决必要的战时指挥所之间的保密通信问题;可以实现与计算机的联网或作为移动通信的转接站;可架设在海岸、岛屿或舰船上实现短距离的移动大气激光通信。


  有着如此光明的前景,空间激光通信技术空间激光通信的发展趋势将向网络化、小型化、智能化方向发展,具体来说主要包括以下几方面的转变,由强度调制/直接探测向零差相干体制发展,由传统光通信向空间量子通信变革,星载设备朝光子集成化升级,天基网络一体化演变,开拓深空光通信等[6]。


  未来卫星激光通信的应用范围将进一步扩大,将建立GEO-GEO、GEO-LEO、LEO-LEO、LEO-地面等多种形式的激光通信链路,建立全球商用卫星激光通信网。小卫星星座的迅猛发展,使得人们对小卫星星座的星间光通信更加重视。利用小卫星间激光通信实现全球个人移动通信将是未来全球个人通信的发展趋势。地面FSO系统将进一步提高全天候工作的能力和自动跟踪精度。技术研究方面,有效的信道补偿算法、快速精确的ATP技术、自适应变焦的光学天线技术、新的调制和编码技术须取得进一步的突破??占涔馔ㄐ帕际?、空间光波分复用技术也将成为今后空间光通信研究的重要课题。


  5结论


  空间激光通信技术作为一项很有发展前景的通信技术正受到越来越多重视,经过30多年的发展,欧洲已经能够实现高速(5.625Gb/s)、低误码率的空间相干光星间通信链路。种种迹象都表明,空间激光通信技术将导致一场新的通信革命,要想在未来的全球军事和商业通信中占得先机,就必须大力发展该技术。虽然我国在这方面起步比较晚,但由于各元器件和技术已趋于成熟,加之我们也有一定的基础,借鉴外国经验,取得跨越式发展也指日可待。这就需要我们及时把握国际上空间光通信的最新动向,认真研究各种新技术以求为我所用。

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