深空激光通信终端主要参数的分析与研究

针对深空激光通信的应用环境和特性,分析了通信链路中的关键性能指标,考虑了距离光斑扩散衰减、指向控制精度衰减、大气衰减、太阳辐射、探测器暗电流噪声等因素后,确定了通信速率和通信误码率的具体计算方法。对通信链路进行建模,分析了各个参数的计算方法;通过公式推导分析了发射端望远镜口径(激光束散角)与指向控制精度对最大通信距离的影响,以数值仿真进行佐证并进一步分析了发射端望远镜口径(激光束散角)与指向控制精度的约束关系,提出了深空激光通信参数设计的方法。在此基础上进一步计算了现有激光通信能力在地月空间、地火空间场景下的激光链路性能。

深空激光通信发展现状与趋势分析(封面文章·特邀)

深空探测是人类探索宇宙和理解宇宙的基础,是科学研究的前沿领域之一。深空通信是横跨星际的信息之桥,将遥远的深空航天器与地球连接在一起,是指引深空探测任务顺利完成的路标。以激光为载波的通信系统具有通信速率高、体积小和质量轻等特点,已成为深空通信未来发展的主要方向,也成为国际上近年来的研究热点。文中归纳了深空激光通信技术的特点,详细介绍了国内外深空激光通信技术领域的发展脉络、最新研究进展和未来发展规划,并分析了深空激光通信的发展趋势,归纳出涉及到的关键技术,最后进行了总结与展望。为我国深空激光通信和星际激光通信网的发展提供一定的借鉴和参考。

深空激光通信的研究现状及关键技术

空间光通信因其体积小、质量轻、数据率高,已经得到世界各国的普遍重视,尤其是近地卫星光通信系统的在轨实验的成功,使人们建立起用激光进行深空通信的信心,本文以国外两个典型的深空激光通信系统为依据,深入分析了深空激光通信系统的特点,提出了制约深空激光通信系统的关键技术,给出了未来深空激光通信技术的研究方向,为我国开展深空激光通信的研究提供参考。

深空激光通信系统方案设计和视轴对准技术研究

在深空探测中利用激光进行科学数据的回传是一种极具潜力的方式,美国已经着手开展这方面的研究工作,在国内尚未有任何报道,针对这种情况,以火星对地球深空激光通信为研究对象,在对外部约束条件进行了分析的基础上,提出了通信分系统和捕获、跟踪、瞄准(APT)分系统两大分系统的设计原则,并对系统关键参数进行了详细设计,在此基础上提出了一种基于自然天体成像的捕获和对准概念,作为国内对深空激光通信整体方案的首次初探。

火星和深空激光测距科学目标与实验关键技术的研究

火星探测是近年来国际上深空探测的热点。现今行星历表最精确的数据来自火星探测的射电测距。行星际空间的激光测距已经测试成功。今后激光深空测距将可提升行星历表的精度3个数量级。绕火航天器激光测距或火面（后反射镜阵列、火星车、火星站）激光测距可为火星表面目标高程定标，与火星激光高度测量、火星地质探测相结合，可以获得关于火星地壳形成和构造的新认识、也可以获得关于火星动力学、地球动力学和基本物理方面的新认识。绕火航天器激光测距和火面激光测距可为探测其他行星、小行星的航天器激光测距和星面激光测距奠定基础，使深空激光测距关键技术成为深空探测与空间实验的热点技术。

深空激光通信中环境对激光捕获的影响

首先分析了太阳环境对深空激光通信的影响,利用Kerr度规计算出通信激光经过太阳表面时受到太阳引力场影响的通信光偏折角为1.75″-0.12″×10-5。对地球到火星激光通信的环境因素进行了分析,通过Matlab软件仿真得到不同位置(不同激光传输时间)与激光通信发射角度的补偿关系。

深空激光通信进展及应用研究

深空激光通信是实现深空高速通信的主要手段之一。对国外深空激光通信的发展现状进行了综述,总结了深空激光通信技术发展的若干启示,给出了深空激光通信的典型应用,分析了深空激光通信涉及的主要关键技术,以期为我国深空激光通信的发展提供一定的参考和借鉴。

脉冲展宽对深空激光通信的影响与补偿研究

深空激光通信系统下行链路的脉冲位置调制PPM(Pulse Position Modulation)信号在经过大气信道传输和单光子探测器接收时,将出现脉冲展宽效应,引起通信系统性能下降。分析了大气信道中的淡积云云层散射、大气湍流与气溶胶散射和单光子探测器的抖动特性所引起的脉冲展宽效应。在此基础上,仿真分析了淡积云云层物理厚度对不同PPM调制阶数下通信速率的影响,并研究了单光子探测器引起的脉冲展宽产生的抖动损失。为补偿脉冲展宽的影响,提出了一种基于时隙似然比解调的补偿方法,通过仿真验证了该方法能够有效降低深空PPM激光通信链路中脉冲展宽对通信误码率的影响。该研究对分析和提升深空PPM激光通信系统的链路性能具有一定的参考意义。

深空激光通信研究进展及发展方向(特邀)

随着人类对太空的探索日益加深,传统射频通信愈发不能满足高速深空通信的需求,各航天国家先后对深空激光通信技术开展研究。激光通信是实现空间通信的一种重要手段,相比于传统射频通信,激光通信具有通信速率高、终端载荷小、抗干扰能力强等优点,更适用于超远距离的深空通信。目前,美国进行的研究最多,且已成功实施了两次深空激光通信演示验证。本文针对已有的深空激光通信研究与演示结果进行综述,分析了实现深空激光通信的关键技术,对深空激光通信的发展历程与未来发展进行了探讨。

水平大气能见度对深空激光通信速率的影响

为了能够通过水平大气能见度判断可实现的最大通信速率,基于Mie散射理论和脉冲多路径效应,建立了通信速率与水平大气能见度的数学模型;通过蒙特卡罗仿真,得到了800nm和1550nm波段的气溶胶散射粒子的散射参数,给出了2~25km水平大气能见度下两个波段产生的脉冲展宽曲线,分析了初始脉宽、脉冲位置调制元数、水平大气能见度对最大通信速率的影响。结果表明,1550nm波段具有更好的通信效果;随着水平能见度的提高,可实现的最大通信速率也在提高,且在良好的水平能见度下选择小的初始脉宽和较低元的脉冲位置调制,能最大程度地提高深空激光通信速率。

国外空间激光通信技术的发展现状与趋势

为了满足日益增长的大数据量、高速数据传输速率的需求,NASA、ESA、JAXA等航天机构正在开启空间激光通信技术的时代。各国纷纷在GEO-LEO、LEO-LEO、LEO-地面,以及地-月等不同轨道验证了激光通信终端的在轨性能。介绍了国外开展的激光通信技术演示验证试验情况,重点介绍了以月球激光通信演示验证试验(LLCD)为代表的深空激光通信技术,以及以半导体星间链路为代表的星间激光通信技术。通过阐述国外激光通信技术的发展现状,分析了激光通信技术的未来发展趋势。期望通过该技术的研究,对我国激光通信技术的发展提供参考借鉴。

J2轨道模型对月地激光通信预瞄准精度影响研究

基于J2轨道预测模型,设计了不同倾角和轨道高度圆轨道月球卫星,通过将J2轨道预测模型预瞄准仿真结果与直接积分RKF7(8)法仿真结果相对比,研究了不同类型月球卫星轨道对-Y面卫星舱板激光通信终端瞄准精度的影响。仿真结果表明,J2轨道预测模型可以满足月球极地卫星月地激光通信要求,当轨道高度为1000 km和2000 km的时候,10 min方位角偏差不超过40μrad,而俯仰角偏差仅为7μrad时,在一定程度上J2轨道预测模型可以满足月地激光通信预瞄准要求。

面向太阳系边际探测的激光通信方案研究

针对我国太阳系边际探测任务需求,提出了利用激光链路进行对地高速信息传输的方案。梳理了深空激光通信的国外发展现状,分析了太阳系边际探测任务的激光链路特点和约束条件,给出了飞行激光终端和激光地面站的初步方案和主要参数,进行了链路预算和影响因素分析,并对我国未来太阳系边际探测任务激光通信的发展进行展望,为我国太阳系边际探测任务的激光通信论证与实施提供参考。

星地量子保密通信进展

量子通信的全球化过程需要地面与星地之间的通信链路,地面量子通信网络已经处于试验向应用转化阶段,目前需要重点突破星地之间量子保密通信;星地量子密钥分发的实现是量子保密通信得以全球化应用的基础,利用卫星进行单光子或者纠缠光子的分发,其传输距离将突破现有的大气环境中100公里以及光纤的200公里的传输距离的限制,从而为全球量子密钥分发的实现做准备;量子通信新技术手段的不断发展为量子通信的广泛应用奠定基础,同时这项技术可以为深空激光通信、单光子通信、星潜通信等新兴的量子技术提供技术支持。文章就量子通信的发展现状、新技术手段做了详细的介绍,讨论了量子通信可能的应用空间。

基于单光子探测器恢复时间的误码率分析

在深空激光通信中,为满足通信距离远、传输速率高的要求,常采用脉冲位置调制(Pulse Position Modula-tion,PPM)与单光子探测器(Single-Photon Detector,SPD)相结合的探测体制。本文从单光子探测器的恢复时间特性出发,推导了探测器单元探测概率和虚警概率模型,建立了基于信号或硬判决和最大计数硬判决的多元单光子探测器阵列误码率模型。仿真分析结果表明:在16-PPM调制和RS(15,8)编码(Reed-Solomon Codes,里德-所罗门编码)体制下,为实现1.22 Gbps的通信速率、误码率优于10-7,当探测器单元数为4时,探测器恢复时间应≤3.2 ns;当探测器单元数为25时,探测器恢复时间应≤10 ns。

高速脉冲位置调制对SNSPD 探测光子计数特性影响(特邀)

激光通信是近年深空探测领域的研究热点之一。深空激光通信采用脉冲位置调制(PPM)提升通信能量效率,并使用单光子探测器以高效地接收信号。其中,超导纳米线单光子探测器(SNSPD)被广泛认可是最优选择之一。本文分析了SNSPD的死时间和抖动特性,以及高速脉冲信号的拖尾现象,对基于PPM-SNSPD调制探测方式的深空激光通信产生的影响,并计算了SNSPD在该体系下的光子计数特性。基于分析,提出一种偏移补偿保护时隙PPM符号同步算法。相较普通的保护时隙同步算法,所提算法能有效减少PPM-SNSPD体系下的同步误差,提升系统误码率。