激光星间链路发展综述:现状、趋势、展望

由于激光通信在空间传输中波长短且方向性强,已成为下一代卫星通信与导航的重要手段。激光星间链路的高速率、高带宽、高安全性等特点,可以提供高质量卫星空间通信,同时其还可以提高星间测距的精度,因此,构建激光星间链路成为下一代卫星网络的研究重点之一。文中首先从技术层面介绍激光星间链路的基本组成,主要介绍了卫星激光建链模式、卫星激光信号调制模式及卫星激光载波波长三个重要技术点。从技术到现象,根据不同轨道高度和不同的任务需求,按照发射时间顺序综合调研并总结了近年来国内外典型中高轨和低轨卫星激光通信成果的发展现状与未来计划。通过调研,进一步从宏观角度分析出卫星激光通信发展标准化、兼容化、网络化和商业化四个趋势,并从微观角度总结了卫星激光终端弹性化和模块化的发展方向。最后,除了作为通讯手段,展望了星间激光链路用于卫星激光测距的良好前景。通过对激光星间链路的现状、趋势和展望的综合分析,旨在为未来激光星间链路的设计与优化提供一定的借鉴和参考,并为我国未来星间激光通信和测距技术的发展及研究提供方向参考。

LEO对GEO卫星星间指控链路研究

对地面非可直视GEO卫星,以LEO卫星为参考基准提出了一种运用LEO-GEO星间指控链路实现地面站对其实施测控的方法。分别采用3种不同轨道高度的LEO卫星对非可直视GEO覆盖特性进行仿真分析,并进行了详细链路预算。仿真与分析结果表明,利用同一轨道面2颗位置对称的LEO卫星,可实现对非可直视GEO卫星的全球测控覆盖;LEO-GEO星间采用S频段可实现2 kbps基础测量功能,星间采用Ka频段可在基础测量基础上,实现20 Mbps数传功能。

基于北斗Ka星间链路的地面用户导航方法

针对导航系统L频段信号易受到有意或无意的干扰和欺骗,而导致地面区域性导航服务性能下降甚至失效的问题,提出了一种利用北斗Ka星间链路信号为地面用户提供导航服务的方法。首先,对该方法的可行性进行了研究,并给出了星间链路时分体制下的用户测距模型;然后,提出了基于时钟模型和惯导信息的测距值历元归算方法,并推导了基于北斗星间链路测距值的地面用户实时定位算法;最后,通过数值仿真分析了不同因素对算法性能的影响。仿真结果表明,该方法定位精度可达2.0 m以内,能够在一定程度上弥补L频段导航信号区域性失效带来的缺失。

激光星间链路快速捕获技术综述

介绍了激光星间链路终端的指向误差建模、终端指向误差在轨标定、激光星间链路扫描捕获参数优化及链路中断恢复重捕获4个方面的国内外发展现状,指出了须重点研究的几个方向,包括涵盖全面误差要素的非线性指向误差模型的建立、在轨观测数据获取方法的改进、激励轨迹的优化设计与参数估计方法的合理选取以及针对链路中断恢复重捕获方法研究,最后结合全球导航星座的特点提出适应导航星座的激光链路快速捕获技术研究建议。

多层卫星网络激光星间链路空间特性仿真

多层卫星网络结构由于其鲁棒性强,可实现无缝覆盖等特点而成为研究热点。针对高轨/中轨/低轨(GEO/MEO/LEO)多层卫星网络结构,研究了各个节点间的激光链路,推导出了不同轨道间两个卫星位置关系的坐标转换公式。对同层间激光链路(OISL)、异层间激光链路(OIOL)俯仰角、方位角以及距离参数和GEO对LEO覆盖特性进行了仿真。结果表明,卫星光学终端俯仰指瞄范围完全可以满足目标星的移动要求,但水平指瞄范围和扫描速度是影响星间激光链路性能的主要因素。

各种激光星间链路特点分析

通过对不同激光星间链路特点的分析，找出应用于不同链路的空间光通信系统研制中所面临的主要问题，这有利于今后空间光通信研究的进展。

中低轨道卫星星座间的激光链路

阐述在中低轨道卫星星座全球通讯网络中应用的激光星间链路与在中继星间应用的激光星间链路相比，所具有的明显的优势。同时给出了应用于小卫星上的小光学用户终端的基本组成，并指出了当前在中低轨道卫星星座激光星间链路研究中所应当进行的主要研究方面。

一种改进的激光星间链路终端指向误差在轨标定方法

提出一种改进的激光星间链路终端(LCT)指向误差在轨标定方法,对激光星间链路终端指向误差模型和观测数据获取方法进行改进。针对现有的终端指向误差参数模型误差因素考虑不足的问题,引入相应的误差项描述误差因素影响。针对链路观测法中存在的激励信号受限,不能充分激励误差参数的问题,以捕获过程中指向机构主动摆动时的入射光信号作为激励信号,以系统误差参数的可观测度最大为目标优化设计激励信号。仿真结果表明:经过本方法标定的误差参数经修正后,激光星间链路终端的最大指向误差(方位向)由改进前的867.8μrad下降到改进后的112.1μrad;最大指向误差(俯仰向)由改进前的62.1μrad下降到改进后的51.5μrad,有效地提高了激光星间链路终端指向精度。

多层卫星网络构型优化中的永久星间链路可视条件

星间链路对多层卫星网络性能有重要影响,其频繁的切换将引起路由变换、延时抖动等一系列问题。具备永久星间链路的多层卫星网络的性能将得到极大改善。通过分析两颗圆轨道卫星之间的相对运动关系,给出任意两颗圆轨道卫星间构建永久星间链路的可视条件的解析表达式。提出Walker星座的全可视星概念,并给出存在全可视星的Walker星座构型应具备的条件。上述条件可作为约束,应用于多层卫星网络的设计优化中,避免层间星间链路的频繁切换问题,降低网络复杂度。

高中低轨导航星座混合体制星间链路规划

针对北斗系统加入低轨增强星座后的高中低混合星座特点,为了满足下一代导航星座主要的星间链路业务需求,提出了一种分级规划的混合星座星间链路规划方案。优先为激光星间链路的MEO、LEO、MEO-LEO建立拓扑,基于此拓扑提出了时分体制的分组拓扑规划算法。针对导航星座高中低速混合星间网络不同体制的路由提出了2种不同的改进路由算法,并对混合体制星间链路进行了仿真和规划。对规划结果进行了统计分析,验证了混合网络规划方法的正确性和混合网络在低轨监测数据回传、层间数据传输、导航信息上注3个典型导航业务场景的数据传输效能。低轨监测数据回传和连续体制节点导航信息上注时延均在1 s之内,在94%的时间里有5~8条层间星间链路,时分体制节点在92%的时间里可以在12 s内完成上行注入,为下一代导航系统规划设计提供参考建议。

激光星间链路终端指向误差标定中的误差分离研究

针对激光星间链路终端指向误差在轨标定中航天器姿态测量误差影响标定结果的问题,本文提出了基于多链路测量的航天器姿态测量误差分离方法。该方法利用了导航星座中同一航天器同时建立多条链路的特点,获取不同方向的LCT指向误差测量数据。通过同时估计航天器姿态测量误差与LCT自身指向误差参数,实现了航天器姿态测量误差与LCT自身指向误差的分离。仿真结果表明:航天器姿态测量误差对LCT指向误差标定结果有显著影响,利用本方法进行误差分离后,LCT指向误差标定结果最大偏差由分离前的64. 9μrad下降到误差分离(6条链路)后的21. 1μrad,有效降低了航天器姿态测量误差对LCT指向误差标定结果的影响。该方法的有效性取决于链路条数和链路拓扑构型。

深空星间链路信道建模及硬件模拟器研制

针对深空通信信道距离长、信噪比低、链路损耗巨大等特点,提出了太阳闪烁与多径效应影响下的深空星间链路信道理论模型。在此基础上,构建了一个基于硬件现场可编程门阵列和控制计算机的深空星间链路信道模拟器,有效模拟了深空星间通信的多径衰落、传播路径损耗和信道延迟,规避了投入高、风险高、耗时长的实地通信实验。实测结果表明,该深空星间链路模拟器输出的载噪比及误比特率波形与理论结果吻合,可用于实验室条件下对深空星间链路的实时模拟复现。

微型卫星应用的宽带激光星间链路——项目综述

宽带激光星间链路(BLISL)是以色列和德国协作的应用研究项目。其目标是为近地轨道(LEO)/中高度地球轨道(MEO)星座的微卫星或小卫星应用研制一个质量轻、体积小、有效功率大、成本效益好的宽带光学星间通信终端,并在空间联合实验中验证BLISL的性能。BLISL的设计要求是:通信距离8000km,质量15kg,体积40cm×25cm×25cm,直流功率25W,码速率1.0Gb/s,误码率(BER)10^(-9)。该项目的开发准则是重点研制一台适合于未来空间应用和计划中的空间验证试验且用户能买得起的BLISL基本样机,此外还要使BLISL结构配置模块化并具有可缩放性,且可推广应用于未来广泛的空间应用领域。BLISL的光电收发机和跟踪系统采用完全相同的核心光学系统,且采用同样的激光器作为光学发射机以及捕获和跟踪信标。系统尽可能采用市场上能采购到的商用部件(COTS)。两轴框架平台上装有望远镜、光学部件、太阳罩、跟踪自身和邻近激光束方向的激光跟踪器、恒星跟踪器、发射机、接收机以及它们的光学接口、精确控制反射镜(FSM)和点前进反射镜(pointahead-mirror,PAM)。非框架单元支持平台和计算机之间的接口,接收平台敏感器产生的数据,并提供执行指向、捕获、跟踪(PAT)功能的指令与设备。

地面站与ETS—VI间的光学星间链路试验

通信研究实验室（CRL）已经开发了一种光学卫星通信系统，并计划进行基本的光学通信试验，试验拟采用将于1993年发射的日本工程试验卫星VI（ETS－VI）上的通信系统。目前，ETS－VI的光学通信载荷，即激光通信设备（LCE）正在研制中。装备直径1．5m望远镜的地面光学设施已经基本完成。在卫星通信试验中，将建立一个双向光通信链路，并且，一些基本的光学通信试验如光束定位／跟踪，数据传输，飞行器姿态精密确定和光通过大气层的传输等也将要开展。本文描述了试验计划的基本概况和在研系统的当前状况。

随机业务下卫星光网络链路容量优化设计

在随机业务条件下,用离线分析法对单层和双层卫星光网络星间激光链路容量进行了优化。引入3种不同特征的网络业务,定量分析了业务分布对系统容量设计的影响。仿真结果表明,优化链路容量在高斯业务条件下变化最缓慢,其次为指数分布和均匀分布业务。研究结果可为卫星光网络链路容量规划提供有益的参考。

激光链路终端发展及展望

利用激光建立星间链路不仅具有极高的潜在通信数据率(可达100Gbps以上)、较小的终端体积和重量，并且具有很强的抗干扰能力和保密性，又可以减少地面站，因此各国都非常重视此项技术的研究．随着低轨小卫星数量的显著增加，需要高数据率、低功耗、体积小、价格低的星上通信终端，激光星间链路终端正是满足了这种需求．

Starlink 星座应用现状及分析

Starlink星座计划是目前全球最具前瞻性和影响力的低轨宽带卫星互联网星座。随着Starlink星座部署规模扩大,其高频次的发射及批量卫星部署,多样化卫星宽带服务提供,全球终端用户的快速增长,以及对军事应用的潜在支持和增强能力等应用潜力逐步显现。首先分析Starlink的在轨运行现状,并将其互联网服务与其他卫星宽带服务提供商进行对比;然后重点研究Starlink星间激光链路的应用特点及技术挑战,探讨Starlink的军事应用现状及演化趋势;最后总结Starlink的综合应用优势及面临的技术挑战,为我国卫星网络设计提供依据。总体而言,巨型LEO星座的建设及其应用不仅是卫星平台的实现,还涉及卫星设计及工业化生产、发射能力支持、星座的运维、卫星组网、地面站配套等一系列的工业链能力集成。

欧美月球GNSS规划现状分析综述

月球是地球最重要的天然卫星,当前国际上正在迎来新一轮月球探索高潮,数十个机构和商业团队正在规划月球探索任务,并设想在未来实现航天员长期驻月,围绕月球的“太空竞赛”刚刚开始。月球GNSS(基于现有的地球GNSS以及新的环月卫星通信导航基础设施的月球卫星通信导航定位技术)是空间基准科研的基础,能够提供航天器着陆定位以及月面(及其覆盖空间)定位、导航与授时等服务,同时可以将月球作为试验场,将导航工具包扩展到更远的目的地(如火星)。对欧美近期发布的月球GNSS规划进行了整理归纳,其中包括美国月球GNSS接收机实验(LuGRE)计划和欧洲月光(MoonLight)计划,以及美国中远期月球通信中继和导航系统(LCRNS)计划,这些计划可以为我国开展月球GNSS规划提供参考。

激光星间链路中天线扫描捕获技术实验室模拟研究

对激光星间链路中的天线扫描捕获技术进行了理论分析和模拟实验研究。首先建立了天线扫描捕获理论模型 ,在此基础上对影响系统捕获性能的各主要参量之间关系进行了数值仿真分析。设计实现了一套天线扫描捕获实验室模拟系统 ,通过模拟实验对部分数值分析结果进行了验证 ,实验结果与数值分析结果基本符合。

激光星间链路中振动补偿技术研究

提出了一种在激光星间链路过程中的卫星平台振动补偿方案。采用CCD探测器代替角度传感检测振动,简化了卫星光通信跟瞄系统。在激光星间链咯中,卫星平台角振动对光束的跟瞄有较大的影响,采用前馈补偿方式实现较好的抑制。在实验室中建立了卫星平台振动模拟装置和前馈振动补偿系统,针对卫星平台的实际振动情况进行了模拟实验。结果表明,对于100Hz卫星平台角振动,当CCD采样频率大于1kHz时,补偿后的瞄准误差与补偿前相比下降了71%。