空基激光终端动态组网研究①
2021-08-17朱晓程张文睿苏兆莹陈安和幺周石张学娇
朱晓程，张文睿，苏兆莹，陈 祥，陈安和，幺周石，张学娇
(1.中国空间技术研究院西安分院 空间激光技术研究室，西安 710000；2.西安电子科技大学 物理与光电工程学院，西安 710000；3.西安电子工程研究所，微波功率事业部，西安 710000)
0 引言
空基激光组网是空天地一体组网的重要组成部分，随着万物互联的概念兴起、低成本无人机广泛应用和作战武器的网格化趋势，高速组网的需求越来越强烈。激光链路的特点适合高速保密场景，但是传统的组网方式和空间激光通信的特点不匹配，造成现有激光组网方案成本高、可靠性低，限制其应用和发展[1-5]。
1 空间激光网络
1.1 网络设计
由于空间激光终端的特点波束很窄只适合视距点对点通信，组网应用时多采用环状网络。但是环状网络的工作模式需要通过两倍节点数量的激光终端接力传输，因此成本高、延迟高、可靠性低。
对比地面交换网，其不仅接入快、吐量高，还能实现动态的信道分配节省资源。如能用地面网络的思想改造激光网络，将能大大提升性能，降低组网成本。依此思想设计激光动态组网方案如下：采用星型网络拓扑，并在干节点配置角反射器和常规激光终端池，叶节点配置一个激光终端[5-7]。
点对多点激光链路的网络关键设计如下：
1)没有通信任务时刻，干节点的所有激光终端待机(M)；所有的叶节点(N)激光终端在上线时刻进行扫描，扫到角反射阵列后，对自身回光的进行捕获跟踪，即实现单侧的预先捕获跟踪；2)通信时刻，对于需要同时通信的N1叶节点激光终端，启动干节点激光终端完成第二阶段快速捕获跟踪，同时建立N1(N1
图1 点对多点捕跟原理
方案特点是采用角反射阵列和终端资源池的两阶段捕获跟踪。角反射阵列辅助完成第一阶段预先捕跟流程，大大缩减了动态组网的第二阶段捕跟的耗时；实现了被动点对点的连接，而不需要像传统点对点链路的双侧同时参与。终端资源池则实现了终端的动态复用，大大节省了终端用量。
1.2 工作模式
激光终端分为中心节点和叶节点。叶节点为经典的激光终端，包含捕跟和通信功能。中心节点为多个经典的激光终端资源池，并配置角反射阵列和交换机。
叶节点之间可以按照传统点对点方式通信，如果需要多点通信或者中继通信则通过中心节点完成广播、中继和转发等功能。其组成的网络工作流程如图3所示[8-11]。
图3 星形激光网络工作流程简图
所有的叶节点上线时刻应该先实现自跟踪，并完成注册。所有叶节点不工作时刻均处于自跟踪待机状态。广播模式通过角反射器的调制，可以实现单向的广播功能。
流程中的跟踪和自跟踪区别为，一个是叶节点跟踪自己反射回光，一个是跟踪中心节点激光终端的信标光。叶节点处于自跟踪状态时，能够跟踪中心节点的角反射器，并覆盖中心节点的激光终端，因此中心节点的终端能够快速的捕获叶节点的信标光，并实现跟踪，并且自跟踪到跟踪的状态切换非常快。
流程中当中心节点资源池的终端数量不够时，需要通过排队实现通信功能，通信已经完成的链路释放资源给排队的叶节点终端，从而完成分时多点通信，此时通信性能会下降。
1.3 性能分析
角反射阵列的工作原理是将收到的光束原指向反射回去，因此角反阵列的引入导致通信链路从单程变成双程，引起链路性能变化，分析如下。
1.3.1 捕跟性能
有角反射阵列参与时单个角反阵元接收的功率
其中Pt是发射功率，An是单个角反阵子有效投影面积，R是距离，θt是发射波束宽度。假设N个角反阵元参与反射，且阵元按照近衍射极限规律发散，则终端收到的自身回波功率为
其中Ar为望远镜面积，ρ是角反射器的光学反射率，θr为角反射的发散角通常以阵元的衍射极限计算。距离100 km链路性能对比如下：
表1 有无角反的捕跟链路预算
可以看出较在远通信的距离下，增加角反射阵列后几何损耗和大气损耗增加，导致接收功率大大降低。但是在较短距离下角反射阵列的影响不同，甚至由于角反射面积较大，导致接收功率的增加的情况。下图4是两种大气消光系数(0.1 dB/km，0.3 dB/km)时，有无角反时接收功率随距离的变化：
图4 有无角反射器接收功率随距离变化
可以看出有角反阵列中继时，近距离通信时接收功率变大，而远距离则变小的规律。另外大气消光系数越大，有角反中继时链路劣化的速度越快。
1.3.2 通信性能
由于通信阶段采用与传统点对点完全相同的通信方式，因此通信性能与传统保持一致。但是由于存在终端资源池，可实现多对一终端分集，特殊应用场合可以实现通信性能的提高。
1.3.3 网络接入性能
网络接入性能包括接入时间，吞吐能力等，其中最重要的是接入时间的性能。下面依据激光网络单个链路建立过程的时序(见图2)对其展开分析。
图2 星形激光网络工作时序设计
1)初始指向过程是一个两维的线性移动过程，其移动时间：
其中θe/θa为方位/俯仰移动角度，ωe/ωa是方位/俯仰移动角速度，Tτ俯仰维滞后于方位维的时间(防止干涉)。按照2°/s的平移角速度，最大30°需要15 s(角反射的工作角度30°)。
2)扫描捕获需要的时间如下：
其中Tacq是一个捕获时间平均值，k是光斑重叠系数，θU是扫描区域，θBC是扫描波束的宽度，Td是探测器驻留时间，Nt是扫描次数。
从实际看主要捕获时间主要受限于链路余量和不确定区域θU，对于10 mrad不确定区域，0.2 mrad的发散角，驻留时间10 ms，重叠率0.5，扫描次数3次。扫描需要150 s左右。如果扫描过程出现漏扫等情况，会导致多次扫描过程引起更长的耗时。
3)其它时间
其它时间包括光轴调整、跟踪锁定和通信准备的时间，是在已经收到信标光完成单侧跟踪之后的动作序列，只需要微量的角度操作，因此耗时较小为秒量级。
从上面的激光组网流程的动作序列的分析可知，初始指向、扫描捕获消耗时间较长，而剩余其它动作序列仅需要数秒量级。因此星形激光动态组网策略中，所有的叶节点激光终端通过角反阵列提前完成了最耗时的预捕跟，通信时刻只需要数秒的准备时间即可完成，大大提高网络的动态性能。星型连接的网络对比传统环形网络其基本性能如下：
表2 新型激光星型网络与传统激光链路性能对比
从上表可以看出星型激光动态网络的性能远远优于传统的环形网络，尤其是在网络规模较大(>10节点)时，性能、成本和可靠性的差距更大[12-16]。
2 结论
激光星形动态网络对比传统的激光环形网络，由于引入了角反射阵列辅助捕获跟踪，获得了多节点预先捕跟的能力，大大节省了实时通信准备时间。在最大捕跟距离略有下降的代价下，通信和网络接入性能全面提升，可靠性高，成本低是适合空基大规模组网的有效方案。
