微小卫星激光通信系统发展现状与趋势分析

2021-12-08李静

通信电源技术 2021年17期

李静

（中国铁塔股份有限公司云南省分公司，云南昆明 650000）

0 引言

重量小于1 000 kg的人造卫星被统称为“微小卫星”，按照由大到小的排序，可以依次划分为小卫星、微卫星以及纳卫星等。卫星研发时间短，且成本低。微小卫星组成卫星网络，可以实现通信、测距以及遥感等功能，在空间信息网络领域应用广泛。微小卫星可以提供低成本、低延迟、高速度服务，因此在卫星互联网中的价值较高。在卫星技术和航天发射技术支持下，微小卫星系统部署规模扩大。然而在部署规划时，对星间、星地互联数据参数要求严格，且还会受到微小卫星载荷尺寸、功能消耗以及质量成本的限制影响[1]。当通信链路类型不同时，则节点激光通信系统的技术参数与功能用途也不同。

1 微小卫星激光通信系统

1.1 光通信与传感演示卫星

通过光通信与传感演示卫星可以演示小卫星激光通信全过程，提供高速率数据通信，验证星地通信效果。光通信与传感演示卫星由于姿态控制系统问题，无法测试星上激光通信载荷。在试验测试中，加强卫星对地下行的通信能力，当无纠错条件时，误码率达到 1.0×10-6。

1.2 CLICK-B/C系统

由美国麻省理工学院、佛罗里达大学、美国航空航天局埃姆斯研究中心联合研制的CLICK 系统，用于验证星间、星地激光通信[2]。CLICK-B/C系统包含光学与电子学部分，验证星间、星地激光通信。其上部分为光学系统，下部分为电子学系统，外形尺寸为96 mm×96 mm×147 mm。激光终端以卫星作为粗指向机构，通过星历数据求解卫星开环粗指向，精指向机构为快速反射镜。CLICK-B/C终端设计应用信标光、信号光，粗跟信标光收发分立设计，发射角为22.2°，发射功率为250 mW。信标光接收包括粗跟位置解算、精跟位置解算，前者需要使用分立镜头，通光口径为16.1 mm。利用面阵探测器，求解光斑位置[3]。信标光精跟位置求解，需要使用四象限探测器，将四象限探测器作为位置传感器，与信号光收发支路，共同使用开普勒10倍缩束望远系统，通光口径为20 mm。

1.3 超小型激光发射模块

超小型激光发射模块可以验证星地激光通信。在超小型激光发射模块体系中，包含VSOTA-COL和VSOTA-E，前者涉及到立体方、激光准直发射部分，发射激光波长为980 nm、1 540 nm。采用分立光路发射方案时，立体方用于装星标校。后者为激光二极管驱动电气部分，依赖于卫星系统，能够实现激光指向功能[4]。

1.4 FITSAT-1

日本通过国际空间站，发射FITSAT微纳卫星，验证星地可见光通信。该卫星表面装载绿LED（50颗）阵列，下表面安装红LED（32颗）阵列，发射角为120°，波长为520 nm，调制频率为1 kHz，占空比为15%。红灯功耗为15 W、绿灯功耗为30 W，轨道高度为400 m，通信速率为1～10 kb/s。

1.5 Mynaric CONDOR

CONDOR应用到星间双向通信中，涉及到电子学、光学系统、CPA理论[5]。光路组件涉及到望远镜、提前瞄准机构、窄带滤光片、跟踪探测器，发射准直、接收单元。

2 微小卫星激光通信关键技术

2.1 星间同轨激光通信终端轻小型化

星间同轨道场合下，按照轨道高度、轨道面卫星数量的不同，可以将通信距离设置为4 000 m。按照卫星状态，光束粗指向范围在5°以内。为了确保星间互联互通效果，卫星安装终端数量为2～3颗，终端质量小于8 kg。发射接收采用光谱分光方案，为了实现轻小型效果，控制系统规模，不仅要考虑高集成度电子学系统，还需要优化跟瞄机构，控制光学支路数量[6]。同轨终端CPA为摆镜，可以修正初始瞄准指向偏差、光束慢速漂移。摆镜设置在终端望远镜前端，镜面尺寸大。精跟探测器分辨率高，可以为FPA提供位置反馈，以此确保跟瞄精度。注重优化CPA，满足偏转角度要求，全面提升谐振频率，获得系统高闭环带宽。尽管镜面尺寸大，运动范围广，较高谐振频率与分辨率高，但是必须降低系统运行功耗，全面提升分辨率。注重优化FPA，满足谐振频率、分辨率要求，增加偏转角度，确保终端获得高光束指向范围。机构要点在于增加偏摆角度，获得高分辨率，维持镜面尺寸，满足光学缩束、装调要求。当应用场合对通信速率要求较低时，融合光斑位置探测支路、通信支路能够实现小型化设计，减少光学分路、分光组件数量[7]。系统运行过程中，对探测器响应、电子学处理系统提出较高要求。

2.2 星间异轨激光通信终端轻小型化

与同轨通信场合相比，星间异轨复杂，通信对象为同星座、异星座卫星，轨道高度从低轨道到高轨道，通信距离长，可以达到3 000～36 000 km。微小卫星平台，对终端质量的约束限制大，低于20 kg。异轨终端CPA是大角度摆动机构，通信距离比较远，望远镜通光口径大，达到140 mm。通信双端距离远，便于搜索和捕获。为了缩小系统规模，不仅要分析高集成度电子学系统，还要缩小光机尺寸与重量[8]。

在星间异轨终端中，包含FPA与CPA。通过CT sensor可以为CPA提供位置反馈。优化设计粗精探测器，可以简化位置探测步骤，但是需要捕获大视场，满足精跟环节分辨率要求。如何对应粗精跟执行结构运动解耦，与粗精跟位置反馈频率要求匹配，已经成为重点研究问题。在异轨终端结构中，CPA、望远镜占比大，确保通信口径有效性，实现优化设计，促进轻小型化发展。该项技术可以通过信号光扫描不确定区域，借助信号光位置探测支路，捕获不确定区域[9]。通过CPA、FPA，能够实现扫描频率与角度互补，确保区域扫描高效性。实时调节发射束散角、接收视场角，提升双向捕获效率。

2.3 星地通信大气影响抑制技术

针对星地激光通信链路，大气会影响激光传输，尤其是漂移、闪烁以及衰减等，会导致激光光束质量裂化，加大接收端光功率起伏度，还会增加接收光功率，加剧光学接收支路调光难度，无法有效提取和处理退化光斑位置。此外，技术应用期间会降低跟瞄精度，影响通信质量，缩短通信距离。在规划星地激光通信链路时，大气属于重要影响因素，扩大接收光学天线口径，合理应用自适应光学技术，能够对大气影响产生抑制作用。然而不同地域、不同气候环境的大气变化多，所以在应用大气影响抑制技术时，必须持续进行更新和改进。

3 微小卫星激光通信系统发展趋势

3.1 卫星演示验证向工程应用转变

现阶段，国内外空间信息网络发展速度快，各星族多由低轨道微小卫星组成，并且将激光通信作为骨干传输链路。太空互联网发展过程中，军用与民用都会加快微小卫星激光通信技术发展的速度，缩短演示验证到工程应用的转变时间。

3.2 终端双向传输能力需求

卫星业务数据传输到地面，建设微小卫星星座，具备中继数据传输能力。在星间传输数据信息，确保卫星数据向地下传输[10]。星载激光通信终端具备双向数据传输能力，可以应用到微小卫星场合。高度匹配收发速率能够保障中继效率，所以激光终端具备全双工、高速率通信优势。

3.3 单点对多点通信能力需求

在天基通信网络中，激光通信技术应用广泛，激光通信组网成为发展趋势。但是，受到激光发散角、空间环境以及动态接入影响，激光通信采用点对点互联方式组建卫星互联网，单个卫星装设多个激光通信终端。由于受到微小卫星平台资源影响，在处理上述问题时必须注重质量功能消耗优化，确保其达到Swap水平。注重动态路研究，处理好接入问题，深入分析激光终端单元中，加强单点对多点通信能力。针对瞄准星间组网，一点对多点目标，可以提供全新思路。在系统发展中，通过快速反射摆扫，可以覆盖光学空间锥角，拼接多个发射接收单元，形成阵列球型。系统设计指标包括通信距离、通信速率、波长、发射功率等。