遮光罩对GEO对地激光通信系统可通率影响

周鑫弘，李小明，韩成，张立中，康一丁

（1.长春理工大学　机电工程学院，长春　130022；2.空间光电技术国家地方联合工程研究中心，长春　130022；3.长春理工大学　计算机科学技术学院，长春　130022；4.长春理工大学　光电工程学院，长春　130022）

遮光罩对GEO对地激光通信系统可通率影响

周鑫弘1，2，李小明2，韩成3，张立中2，康一丁4

（1.长春理工大学机电工程学院，长春130022；2.空间光电技术国家地方联合工程研究中心，长春130022；3.长春理工大学计算机科学技术学院，长春130022；4.长春理工大学光电工程学院，长春130022）

地球同步卫星（GEO）对地激光通信系统具有通信速率高、保密性好等优势。但系统的光学天线暴露在星体外部，太阳照射对可通率影响严重。针对某GEO对地激光通信系统，不同长度遮光罩对太阳规避造成的可通率及比刚度影响的分析，证明增加遮光罩长度系统可通率提升效果明显。对现有遮光罩形式进行了分析与总结，简述工程中遮光罩长度的确定与限定条件，为优化设计GEO激光通信系统遮光罩及提高系统可通率提供技术基础。

可通率；激光通信；遮光罩；太阳照射

激光通信具有速率高、功耗小、抗干扰能力强等优点，其通信带宽可以达到几Gbps甚至几十Gbps，远远高于现在星载平台常用的微波通信系统，是未来解决卫星高速通信的有效手段［1］。作为中继通信终端的地球同步轨道卫星（GEO）通信容量巨大，微波通信已经不能满足实时高速信息传输的需求，对激光通信系统需求迫切［2］。星载激光通信系统的主光学天线安装在星体外部，会受到太阳照射产生的热效应和背景杂散光的影响，造成系统通信性能下降，甚至永久失效，对系统的寿命和可通率影响严重［3］。为了抑制以上影响，星载光学系统一般安装遮光罩，减少进入的太阳光和天空背景光，遮光罩是影响系统的在轨性能的重要因素之一［4，5］。为了提高GEO激光通信系统的可通率，增强其可用性，有必要根据GEO激光通信系统特点，分析遮光罩对系统可通率的影响，为GEO激光通信遮光罩的设计提供依据。

1 GEO激光通信主光学系统

GEO通信卫星主要与地面站（OGS）或者低轨卫星（LEO）建立通信链路，将LEO数据转发给OGS，解决LEO直接与OGS通信时通信窗口时间短，无法及时将大量数据下传给OGS的问题。

某GEO激光通信系统的光学子系统由主镜室、主镜、次镜支架、次镜和中继光学子系统组成，主镜材料为碳化硅，采用背部安装方式安装在主镜室内，次镜材料为微晶玻璃，采用殷钢材料的次镜支架支撑。其为长焦、小视场的光学能量系统，接收能量的效率是其主要技术参数。主光学天线前端安装碳纤维材料的圆筒遮光罩，通光口径Φ252，如图1所示。光学子系统安装在卫星平台对地面外部。

图1　GEO激光通信光端机光学系统示意图

2　光学系统受阳光照射及背景光分析

2.1天空背景光

地球对GEO卫星的张角约为17.4°，远大于激光通信中的最大视场角（0.23°），所以当与地面站通信时，星载激光通信终端视场内总是充满地球背景辐射，基本上无太阳光直射和其它点源（如行星、恒等）进入中继光学系统。其主要外部杂散光为地球背景光，并且只有在光学系统视场内能到达探测器，对通信产生影响。地球背景光分为地球自身的光谱辐照和地球反射的太阳光谱辐射［6］，激光通信系统轨道处的总背景光谱辐照强度为：

其中：

C1=3.7418×108W μm m2为第一辐射常数；C2= 1.4388×104μmK为第二辐射常数；λ为激光波长，通信激光为1.55μm，信标激光为0.8μm；Te=293K为地球黑体等效温度，r=6400km为地球半径；h= 36500km为地球同步轨道高度。

其中，Ts=5762K为太阳等效黑体温度；rs=7× 105km为太阳半径；1AU=1.58×108km为太阳与地球的平均距离；Re（λ）为地球对太阳光谱反射率。

进入光学系统的辐射能为：

其中，ω=0.23°为终端最大视场角；S0=0.07m2为入瞳面积。

经计算，进入系统的通信光和信标光波段的地球背景辐射强度分别为0.5×10-14W和9.6×10-12W。远小于接收到信标光和通信光的光功率（0.54× 10-9W和2.7×10-7W）。因此，激光通信系统遮光罩设计时无需考虑对背景光的抑制。

2.2太阳辐射

根据地球同步轨道卫星的轨道特性，太阳南北方向与赤道面夹角在-23.5°～23.5°范围内随季节一年变化一个周期，东西方向上随地球自转一天变换一个周期［7］。GEO激光通信系统主要对地面站进行通信，其视轴基本指向地面并与地球做同步转动，所以其视轴与太阳的夹角变化也与地球自转与公转的周期一致。

GEO激光通信光端机受地球反照辐射和地球红外辐射较小，系统接受到的空间外热流主要是太阳辐射，利用IDEAS分析了图1所示主光学系统各面在春分、夏至、秋分和冬至时的太阳辐射热流密度。从分析可知：（1）激光通信系统存在午夜入侵现象，秋分时辐射热流强度最大，约为1345w/m2；（2）处于运行方向的+/-x面常年交替受到太阳照射；正在受照的+x面或-x面的辐射热流逐渐减小的同时，作为光学系统元件主镜、次镜所处的+z方向受到的太阳辐射逐渐增加；（3）+/-y面分别在冬至、夏至时节受到全周期的太阳辐射，春分、秋分时不受辐射；（4）春分、秋分时节光学系统进入地影区时间最长，约为72分钟。（5）当太阳与赤道夹角小于8.8°时，激光通信系统受到地球遮挡，无太阳光照射。

太阳光通过遮光罩进入系统后，一方面遮光罩等受照升温引起光学系统温度上升，影响光学系统性能，造成通信质量或可通率下降，该影响可以通过优化设计遮光罩并结合主被动热控予以解决［8］，图2为某GEO激光通信系统分别采用600mm和1500mm长度遮光罩，在同等受照条件下主镜温度变化情况，可见遮光罩长度增加，主镜最高温度由约210℃下降为130℃，同时温度超过温控指标（25℃）的时段由约1×104s下降为约0.4×104s，可见增加遮光罩长度对改善太阳辐射引起的光学系统温度上升改善明显，可以减轻温控系统的压力。

图2　不同长度遮光罩GEO主镜温度变化

另一方面，太阳光与系统光轴夹角过小时，阳光会照射到系统光学主镜，造成主镜温度过高或主镜膜系损伤。主镜受照时，系统只能中断通信并转动视轴方向规避太阳照射。本文的GEO激光通信系统，采用长度600mm遮光罩时，太阳入射角（阳光与天线光轴夹角）小于22.6°时，太阳光会直接照射到光学天线的主镜上，太阳规避角（阳光与系统光轴夹角小于该角度时必须采取规避措施）为22.6时，GEO（东经77度）对阿里地面站（北纬32°33′57.82″，东经80°09′35.14″，海拔高度5036m）通信，全年共279天需采取太阳规避，占全年总天数的76.4%。系统规避太阳引起的全年不可通信时间约为36330分钟，全年可通率93%，可见系统的太阳规避对系统的可通率有严重的影响。表1为规避角为22.6°时系统规避太阳造成的全年各月不可通时间分析结果。

3　遮光罩长度对太阳规避引起可通率下降的影响

通过增加遮光罩的长度可以有效减小系统的太阳规避角，减少系统太阳规避引起的不可通时间，提高系统可通率，增强GEO激光通信系统的可用性。

遮光罩长度对太阳规避角的影响成简单的几何关系，即：

式中，at为太阳规避角，D为主镜直径，L为遮光罩长度。

为了综合考虑太阳光矢量随地球公转、自转的变化、地影遮挡等影响，首先采用STK对全年东经77度GEO对阿里地面站通信时太阳光轴与系统光轴的角度变化进行了仿真。然后结合Matlab软件对不同长度遮光罩下，系统全年太阳规避造成系统的不可通时间等进行了分析并计算了可通率。

全年可通率=（全年时间—太阳直射时间）/全年时间×100%。

表1　采用600mm遮光罩时系统太阳规避造成的全年不可通时间

图3　采用400mm遮光罩时系统3月不可通时间

图4至图7为不同遮光罩长度下系统全年通信中断月数、全年不可通天数、全年最长不可通时段、全年不可通时间和全年不可通率变化情况。

图4　不同长度遮光罩系统全年不可通天数

图5　不同长度遮光罩系统全年最长不可通时段

图6　不同长度遮光罩时系统全年不可通时间

图7　不同长度遮光罩时系统全年不可通率

通过分析可见，随着遮光罩长度的不断增加，GEO激光通信系统太阳规避造成的通信中断对可通率的影响成指数逐渐减小。遮光罩长度由600mm增加到2000mm时，全年通信中断天数由280天，减小到76天；全年最大通信中断时段由180分钟，减小到50分钟；全年不可通信时间由36330分钟，减小1003分钟；全年可通率由93.1%上升到99.8%。

4　增长遮光罩的方法

虽然增加遮光罩长度对系统通信系统性能改善明显，但随着长度的增加，遮光罩的固有频率必然随之下降。

图8　不同长度遮光罩时遮光罩比刚度

如图8为采用碳纤维材料通光孔径252mm的圆筒形遮光罩（未轻量化）单位重量下的比刚度变化情况。由图8可见，随着遮光罩长度的增加，其比刚度快速下降，尤其当长度大1000mm后，比刚度骤然降低。由于卫星发射时对激光通信系统的谐振频率有较高的要求，在采用传统遮光罩时，其系统刚度和重量会严重限制遮光罩的长度。因此出现了可展遮光罩、内部异形表面遮光罩、增加内部栅板的遮光罩多种改进型遮光罩，以解决外部因素对遮光罩性能的限制。

理论上遮光罩越长效果越好，但可展遮光罩压缩后的外包络尺寸受到火箭整流罩的限制，间接限制了可展长度，同时需要满足发射时系统固有频率的要求；其次，经过模态分析后遮光罩在收缩与展开状态下分别对应的固有频率会受到系统谐振频率的限制，本文中的可展遮光罩需要满足 f1≥150Hz（f1为收缩时的一阶固有频率），f2≥50Hz（f2为展开后的一阶固有频率）；展开后的结构主要受到伺服带宽对结构频率的要求，使得遮光罩保证一定的刚度；综上，在设计时要根据任务要求综合考虑遮光罩的压缩长度、体积重量以及刚度的参数对遮光罩长度进行综合优化。

表2　不同遮光罩形式对比

图9　不同遮光罩形式

由表2可见，几种形式的遮光罩各有优缺点，骨架展开式遮光罩（图9（a））折叠后尺寸小，重量轻，展开式后长度大［10］，但其必须采用柔性遮光材料，限制了其内外表面设计的灵活性，同时由于骨架存在铰链结构，因此其结构刚度不易保证；套筒展开式结构（图9（b）），采用多层嵌套的筒状遮光罩逐级展开的结构形式［11］，由于各级采用硬质材料遮光罩，其表面可设计性较好，同时各级展开并采取锁紧措施后结构刚度要优于骨架展开式，但其整体重量、折叠后尺寸较大；内部具有异形表面的遮光罩（图9（c））可以大大提高照射到内表面上阳光的反射率，将大部分太阳照射能量反射出去，有利于减小系统温升［12］，但该种遮光罩长度有限，无法改善系统太阳规避等影响；具有内部栅板式的遮光罩（图9（d））是根据特定使用条件下的光学系统特点设计的新型遮光罩，其在不增加外包络尺寸的前提下减小系统太阳规避角度效果明显，可以起到与展开式遮光罩相同的作用，但该遮光罩只适用于特定系统，应用场合有限，同时该种遮光罩尚处于理论研究阶段，尚无应用实例，需进一步开展工程化研究。

5　结论

根据某GEO对地激光通信系统的光学天线和轨道参数等指标，对采用不同长度遮光罩时系统可通率变化的分析表明，增加遮光罩长度可以大幅提高可通率，但遮光罩比刚度会严重下降，降低遮光罩结构频率，增加重量。在工程化设计时必须结合具体要求，综合设计遮光罩长度。对现有遮光罩形式分析表明，各形式遮光罩各有优缺点，需根据实际工程要求具体设计。其中针对GEO对地激光通信系统，具有内部栅板的遮光罩具有明显的优势，有必要开展进一步的研究。

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The Influence of Baffle for Available Probability of GEO Laser Communication System

ZHOU Xinhong1，2，LI Xiaoming2，HAN Cheng3，ZHANG Lizhong2，KANG Yiding4
（1.School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.National and Local Joint Engineering Research Center of Space Optoelectronics Technology，Changchun 130022；3.School of Computer Science and Technology，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；4.School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

GEO to ground laser communication is characterized by high speed，security.The optical antenna of GEO laser communication system exposes outside of satellite.Solar radiation unable to avoid，it affects the optical system seriously，reduces available probability.Analyze the effect of these factors for available probability and emphasize analysis the effect of baffle’s length.The results show that，increase the length of baffle can increase the available probability. The paper hood length determination and in the engineering qualification.Then in order to optimize the design of baffle GEO laser communication systems summarizes the baffle structure form，provide support for increase the performance of baffle.

available probability；baffle；laser communication；solar radiation

TN929.13

A

1672-9870（2015）05-0039-05

2015-06-30

国家“863”项目（2013221611009）

周鑫弘（1990-），女，硕士研究生，E-mail：874573364@qq.com

张立中（1968-），男，教授，博士生导师，E-mail：zlzcust@126.com