面向微纳卫星应用的激光数传技术

吴世臣，黎发志，杨玉军，周子元，李文宗，解学彬

面向微纳卫星应用的激光数传技术

吴世臣，黎发志，杨玉军，周子元，李文宗，解学彬

（南京英田光学工程股份有限公司 南京 210000）

针对遥感微纳卫星对地高速数传需求，开展面向微纳卫星的激光数传技术研究，突破微纳卫星激光通信终端星地快速捕获建链和协同高精度稳定跟踪、天基终端轻小型化、复合光电组件等关键技术。完成微纳卫星的天基激光终端和地面激光终端研制，并开展星地传输试验验证，实现1 230 km、10/50/100 Mbps的星地数据传输，验证了相关技术，为后续我国微纳卫星对地遥感应用提供了理想的星地数传手段。

微纳卫星；激光数传；遥感应用；瞄准、捕获和跟踪

引 言

近年来，随着商业航天蓬勃发展，各种类型的卫星发展迅速，其中，重量在1 kg～100 kg的微纳卫星具有研制和发射成本低、功能密度高的特点，被广泛用于科学试验、空间环境探测、组网对地观测。然而，由于微纳卫星体积和重量较小，对平台载荷提出了苛刻的要求，传统高速对地传输手段不适用于微纳卫星使用，严重限制了微纳卫星的应用。针对遥感微纳卫星对地高速数传的需求，英田光学研制了天基激光终端和地面激光终端，并完成星地传输试验验证，实现1 200 km、10/50/100 Mbps星地数据传输。

1 国外发展情况

微纳卫星的重量一般在数千克至数十千克，具有重量轻、容易批量化制造、发射成本低、集群使用可实现大卫星难以完成任务的优点，广泛用于科学试验、空间探测、深空探测领域，受到欧美日等多方关注，如图1所示。然而，微纳卫星对通信载荷的体积、重量和功耗有着严苛的要求，制约了微纳卫星的应用和发展。利用激光通信技术重量轻、体积小、容量大的特点，实现微纳卫星对地面通信、卫星对卫星通信，是突破微纳卫星应用的一个重要研究方向。目前美、欧、日在这方面均进行了大量研究。

1.1 CLTDSC项目

2014年，NASA开始了1 U CLTDSC（Cubesat Lasercom Terminal for Deep Space Communication）项目，该项目由Fibertek公司具体完成，负责开发一款1 U大小的Cubesat激光通信终端用于深空通信。在完成原理样机的基础上，2015年，Fibertek公司又获得了该项目的第2阶段研发工作，并于2017年初步完成了原理样机的研制。该终端采用1 550 nm的下行链路、1 064 nm的上行链路，能够在OOK的调制方式下达到10 Gbps的下行速率，在PPM的调制方式下达到100 Mbps的下行速率。载荷重量小于2 kg，功耗小于20 W，激光发射功率可达2 W。该载荷极有可能搭载Blue Canyon的XB1平台执行深空探测任务[1]。但由于该终端重量较大，仍不能满足微纳卫星应用要求，还需要更轻的激光终端。Fibertek Phase Ⅱ 终端如图2所示。

图1 微纳卫星

图2 Fibertek Phase Ⅱ终端

图3 OCSD-A和OCSD-B/C终端

1.2 OCSD项目

OCSD（Optical Communications and Sensor Demonstration）是世界上首次在微纳卫星上开展的激光通信验证实验。2015年OCSD-A随Aerocube-7卫星发射，激光通信终端的重量为615 g，功耗为6 W～10 W，Aerocube-7卫星指向精度为0.35°的三轴稳定度。2016年8月，由于软件上注升级后整星进行了一次系统重启，随后姿控系统工作出现异常，而姿控系统又与激光通信实验装置锁定，因此这次在轨实验虽然最终未能成功完成激光通信实验，但相关技术得到了一定的验证，为后续的OCSD-B/C研制提供了有益的经验[2]。

此后，Aerospace Corp开展了OCSD-B/C终端项目研制，相比Aerocube-7卫星，后面的两颗卫星姿控系统的改进使得卫星能够达到更高的指向精度，激光通信终端的束散角调整到了(0.1±0.05)°，这使得激光通信终端的输出功率降低为2 W～4 W。另外，对激光通信终端进行了优化，终端高度仅2 cm，终端体积小于0.4 U，重量为360 g[3]。OCSD-A和OCSD-B/C终端如图3所示。

2018年8月2日，OCSD-B/C卫星成功在轨进行了100 Mbps的激光下行链路测试，完成了微纳卫星平台的首次激光通信星地下行传输，对相关技术完成了飞行验证，证明激光通信手段可以作为微纳卫星应用对地高速传输的一种新的技术途径。Aerocube-11激光终端如图4所示。

图4 Aerocube-11激光终端

1.3 ISOC项目

2016年，NASA启动了ISOC（Inter- Satellite omnidirectional Optical Communicator）项目，该项目的目标是开发一个全向的激光通信设备，能够在200 km空间范围内达到1 Gbps的数据速率。该项目无论是全向的设计还是高的数据速率，对微纳卫星激光通信应用都是严峻的挑战。ISOC项目由University of California- Irvine和JPL合作开发，该团队完成两个全双工通信的全向通信原型机。ISOC最终的设计目标是能够实现如图5所示的多颗微纳卫星间的激光通信[4]。

1.4 CLICK项目

2017年，NASA启动了CLICK（Cubesat Laser Intersatellite CrosslinK）项目，该项目由University of Florida、MIT和NASA共同完成，目标是用两颗立方星在近地轨道验证星间激光通信技术，如图6所示。

图6 CLICK项目任务

项目任务完成2台1.5 U的激光通信载荷，并分别搭载在两颗3 U的微纳卫星上，实现在400 km～ 600 km高度轨道上进行双星间的20 Mbps星间激光通信链路传输，项目终端采用1 550 nm激光波长。

1.5 VSOTA项目

VSOTA终端是日本情报通信研究机构NICT（National Institute of Information and Communication Technology）和东北大学（Tohoku University）联合研制的超小型激光发射模块，用于验证星地激光通信。

VSOTA的组成如图7所示。VSOTA主要分为VSOTA-COL和VSOTA-E两部分，其中VSOTA-COL包括激光准直发射和立方镜两个部分，发射激光波长分别是1 540 nm和980 nm，采用分立光路发射方案，立方镜用于装星标校[6]；VSOTA-E为激光二极管驱动电气部分。依赖卫星做粗指向和粗跟踪，完成激光的指向功能。

图7 VSOTA终端

2 关键技术

由于微纳卫星体积和重量受限，除了平台本身重量外，还要搭载遥感和测控设备，因此，对搭载载荷的体积、重量和功耗均提出了苛刻的要求。对于星载激光通信的重量要求一般在1 kg以下，体积以1 U、功耗以数W为设计边界。这就给星载激光通信终端的设计带来了很大的困难，需要在高精度的PAT、小型化光机设计和专用器件上进行重点攻关。

2.1 高精度协同PAT技术

传统的卫星激光通信终端一般包括二维伺服转台、光路和电控等部分，其重量很难做到1 kg以内，无法满足微微纳卫星搭载运行的要求。

解决上述问题的技术手段是去掉卫星激光通信终端二维转台，利用微纳卫星平台实现粗瞄准和粗跟踪，激光通信终端仅进行光束收发的扫描捕获和精确跟踪。由于卫星平台与星载终端在控制上相对独立，因此需要针对扫描捕获和稳定跟踪设计独立的控制拓扑，实现卫星平台、天基终端和地面终端协调工作，如图8所示。

图8 PAT控制拓扑

2.2 小型化光机结构设计

在无二维转台指向情况下，光机结构将占到通信终端50%以上的重量，而微纳卫星低重量的要求同样给光机结构设计带来了新的挑战。

主光学天线：从系统口径的大小、能量对比以及尺寸重量等方面综合考虑后，采用透射式共口径设计方案为宜，发射和接收共用光学系统，其优点在于提高了空间使用效率，减少系统重量。

一体化光机设计：针对小型化需求，在对光机结构进行设计时，综合考量材料、热和力学需求，将光学基板、各镜组、光纤输入/输出耦合光路等光学部件进行一体化的光机设计，可以减掉不必要的重量的同时保持系统力学性能，相较于传统结构可实现20%～30%减重。

2.3 复合光电专用器件

针对低重量要求和光机结构小型化要求，在设计中，需要根据传输速率和波长特点，对传统激光通信设备中的器件在功能上进行整合。

多功能四象限探测器：采用四象限探测器将跟踪探测器、通信信号探测器进行整合，实现通信和跟踪器件一体化，实现跟踪接收光路与通信接收光路的一体化，相对于传统方法减少空间光路数量，降低体积和功耗；

基于MEMS快反镜：针对微纳卫星光路轻量化要求，选用MEMS振镜作为终端精跟踪执行机构，相对于传统的压电陶瓷快反镜和音圈电机快反镜而言，在重量和功耗上显著降低。但设计中需要针对空间环境对MEMS进行必要的可靠性加固。选择的反射镜应具有较小的动态范围、较高的伺服带宽和高稳定精度。

3 系统组成

如图９所示，星间激光通信终端主要由收发光学主镜、滤光片和分光片、MEMS振镜、分光片、复合QD探测器、核心控制器及MEMS驱动组成。

图9 天基终端组成

① 收发光学主镜主要进行压缩光束口径，对光束进行准直，完成激光信号汇聚接收；

② 窄带滤光片与分光片主要完成将信号探测光和信号接收光光束分开；

③ 核心控制器及MEMS驱动主要完成系统综合控制、通信、光/电信息转换、信息编码调制/解调功能，以及实现与卫星平台的信息接口，同时提供MEMS快反镜驱动；

④ MEMS振镜用于对收发光束进行精确调整控制；

⑤ QD跟踪通信复合探测与综合电子单元共同完成激光通信链路建立和保持通信链路的精度和稳定性。

最终完成的天基激光终端如图10所示，天基终端关键指标见表１。

图10 天基终端

表1 天基终端关键指标

4 星地对接试验

2019年11月，CZ-6搭载自主研制的面向微纳卫星的超小型激光数传终端在太原卫星发射中心发射成功。星地对接示意图如图11所示。2019年12月3日，在整星完成调试后，星载激光通信终端与位于南京朝阳山的专用地面站进行第一次星地对接测试，在本次实验中实现了星地光束的双向捕获，捕获过程中整星对地面站指向精度优于0.1°，终端捕获范围小于500 μrad。星地对接地面接收光斑如图12所示。

图11 星地对接示意图

图12 星地对接地面接收光斑

截止到2021年12月25日，该终端已经进行了75次星地对接试验，完成对捕获和跟瞄性能、通信距离、通信速率、通信误码率等星地激光链路参数测试。在满足捕获条件的63次实验中（考虑天气、轨道正过顶等因素不满足通信要求），成功捕获了61次，捕获成功概率为97%，最大捕获时间为27 s（2020.12.25），最小捕获时间为0.1 s（无扫描，直接捕获），平均捕获时间为4.5 s，并对星地跟踪性能进行了测试，其中最大平均误差为30.1 μrad（3σ），最小平均误差为18.1 μrad（3σ），误差均方根23.7 μrad（3σ）。星地通信误码率统计如图13所示。

目前，具备通信能力的最小通信距离约为570 km，最大可通信距离约为1 230 km，误码率在满足跟踪后优于1×10–6，但受大气湍流、云等因素影响，误码率会短暂变大（图13中出现的尖峰），但会迅速恢复低误码率的状态，该试验验证了大气条件下，微纳卫星平台星地激光通信的可行性。同时该终端利用卫星平台的遥感相机，进行了卫星遥感照片的下行传输验证，积累了数百Gbit的数据。图14所示为2021年3月11日拍摄的辽宁西部的照片，图15所示为2021年11月20日拍摄的中国西北的照片。

图13 星地通信误码率统计

图14 2021年3月11日拍摄辽宁西部照片

图15 2021年11月20日拍摄中国西北的照片

5 结束语

随着微纳卫星应用领域不断拓展，目前，国内外微纳卫星激光通信终端研制成为热点。相对于传统星载激光通信终端，微纳卫星激光通信系统需要在平台与终端协同PAT、小型化光机结构和轻量化专用部组件上重点攻关。基于相关关键技术攻关，英田光学研制了超小型天基终端（0.7 U、0.76 kg、7.2 W），并完成了星地570 km～1 230 km星地对接试验，跟踪精度优于18.1 μrad，通信速率10/50/100 Mbps，平均误码率优于1×10–6，通过该试验验证了相关技术，相关结果可用于我国未来微纳遥感卫星的对地高速数传。

[1] HAZZARD D A, MACCANNELL J A, LEE G, et al. Lightweight optical wavelength communications without a laser in space[C]//14th Annual/USU Conference on Small Satellites, 2018.

[2] ROWEN D, JANSON S, COFFMAN C, et al. The NASA optical communications and sensor demonstration program: proximity operations[C]//32nd Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites,2018.

[3] ROSE T, ROWEN D, LUMONDIERE S L, et al. Optical communications downlink from a 1.5 U Cubesat: OCSD program[C]// Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering,2018.

[4] CADENCE P, ANGELA C, PAUL S, et al. Laser crosslink atmospheric sounder to investigate the effects of deep convection on ozone[C]//32​nd​ Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites. SSC18-VII-06, 2018.

[5] VELAZCO J E, GRIFFIN J, WERNICKE D, JANZEN A, et al. High data rate inter-satellite omnidirectional optical communicator[C]//32nd Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites,SSC18-WKI-02, 2018.

[6] SHAY T M, HAZZARD D A, MACCANNELL J A, Et al. First experimental demonstration of full-Duplex optical communications on a single laser beam[C]//15th Annual/USU Conference on Small Satellites,2017.

System technology of data transmission with laser for micro-nano satellites

WU Shichen, LI Fazhi, YANG Yujun, ZHOU Ziyuan, LI Wenzong, XIE Xuebin

（Nanjing Intane Optical Engineering Co., Nanjing 210000, China）

For the high-speed data transmission requirements of remote sensing micro-nano satellites to the earth, the system technology of data transmission with laser for micro-nano satellites has been studied. The key technologies such as the high-precision cooperating PAT between micro-nano satellites and laser communication terminals, the light and small space-based terminals, composite photoelectric construction and so on, have been studied. The development of space-based laser communication terminal and ground laser communication terminal for the micro-nano satellite have been completed, and the demonstration experiment of laser communication between micro-nano satellite and ground laser communication terminal also has been completed. The 1 230 km satellite ground data transmission with 10/50/100 Mbps satellite ground data transmission has been realized, and the relevant technologies have been verified, which provides an ideal satellite ground data transmission means for the follow-up micro nano satellite remote sensing to the earth in China.

Micro-nano Satellites; Data transmission with laser; Remote sensing applications; PAT

TN929.13

A

CN11-1780(2022)04-0119-07

10.12347/j.ycyk.20220505002

吴世臣, 黎发志, 杨玉军, 等.面向微纳卫星应用的激光数传技术[J]. 遥测遥控, 2022, 43(4): 119–125.

10.12347/j.ycyk.20220505002

: WU Shichen, LI Fazhi, YANG Yujun, et al. System technology of data transmission with laser for micro-nano satellites[J]. Journal of Telemetry, Tracking and Command, 2022, 43(4): 119–125.

吴世臣（hitivy2009@126.com）

2022-05-05

2022-07-01

Website: ycyk.brit.com.cn Email: ycyk704@163.com

吴世臣 1982年生，博士，高级工程师，主要研究方向为激光无线能量传输、激光无线通信技术。

黎发志 1986年生，博士，教授，主要研究方向为激光无线通信光学设计。

杨玉军 1988年生，本科，高级工程师，主要研究方向为精密光学机构设计。

周子元 1973年生，硕士，主要研究方向为激光通信技术。

李文宗 1989年生，硕士，主要研究方向为精密光学结构加工工艺。

解学彬 1994年生，本科，主要研究方向为激光无线通信PAT技术。

(本文编辑：杨秀丽)