卫星激光通信技术详解

范津铭 王风禄 万戬

摘要：卫星激光通信包括深空、同步轨道、低轨道、中轨道卫星间的光通信，有GEO（geosynchronous earth orbit，GEO）-GEO，GEO-LEO（low-earth orbit，LEO），LEO-LEO，LEO-地面等多种形式，与此同时，卫星和地面站之间的通信也十分重要。随着元器件的不断进步，卫星通信技术也逐步开拓着其技术本身的格局，原本仅仅用于军事领域的卫星通信技术也逐步朝着商业化的方面运作。由此可以遇见，在不远的未来，卫星激光通信技术将会成为全球容量最大、速度最快的卫星通信技术使用方式。

关键词：卫星激光通信;技术详解

1 系统基本组成

旨在能够让空间逛传输和ATP（acquisiTIon tracking poinTIng）技术能够得到实现，通常需要对信号光和信标光进行掌握，通常情况下的卫星间光通信系统也包含以下四个技术范畴：

（1）光天线伺服平台

它由计算机进行控制，首先对信号进行先是对信号进行捕获和扫描，系统也会处于初始的工作状态，而且将光束大致引导到接收位置，从而完成光束的初步捕获。在另一方面，在进行对信号跟踪和定位阶段的操作的时候，可以用到跟踪探测设备，从而能够让反馈由开环变成闭环反馈系统，这对实现动态的目标定位有着很大的作用。然而，在运动载体上的光通信系统而言，只在能够让扰动误差降到最低，还需要增加陀螺仪来稳固反馈回路的稳定性。

（2）误差检测器

光天线及其光电探测设备实际上都是误差检测设备，捕获探测器及其定位探测器皿是光电探测系统的重要组成部分，其中捕获探测器能够最先对追踪物体进行最初的探测和跟踪，从而将跟踪信号尽快传输到定位探测器上，然后跟进定位探测器的精准定位操作，在最后调整接受和发送短的位置，让激光束对准。这一系列的操作总共进行多次反馈，实际上就是为了减少动态跟踪下的定位误差。

（3）控制计算机

计算机包含输入输出设备，通过对卫星管控信号的接受，将信号引流到天线控制平台，从而对光链路的链接方向进行校准。在捕获阶段通过程序来管控光束的扫描和捕获;在跟踪的时候，计算机能够对对误差进行即时计算，从而能够让跟踪定位不断调整。

（4）光学平台

在星光通信领域，信号发送端和信号接收端的作用是能够对彼此发送的信号进行探测，然后根据信号来进行对对方的准确定位。当定位出现误差的时候，ATP能够对天线的方式进行接受，从而完成双方带来的信号光，并且定位信号光在第四象限的探测器的坐标位置，并且跟进对误差方位的提供，从而让系统的天线能够万恒下一步精准的对接和跟踪任务。探测对方发来的信号，通过放大器和调节器的作用，来完成最终的准确、及时、高质量的通信任务。

卫星激光通信系统能够在自由空间中对激光进行利用，从而把激光当作信息传输的载体，激光使用的最大作用在于其光束不容易发散，从而能够保证信号的稳定性和高质量。

所以光束的对准是十分困难，尤其是作为运动卫星间的光通信，完成收发光束的捕获、跟踪、瞄准就成为自由空间激光通信最关键的技术。以上所谈系统只是理论分析，对实际应用国内还有一段很长的路要走。

激光能作为卫星光通信技术的重要载体，是因为其传播过程中发散角很小，但这也带来了问题。激光束的对准是非常困难的，特别是在天体运动卫星当中，要想准确地完成激光束的捕获、跟踪与瞄准更是其为困难的。所以目前以上技术还只是停留在理论阶段并未开始真正应用，在这条道路上我国还有很长的道路要走。

2  关键技术

为了完成信号的接收与发送、光束的精確对准，以下技术都尤为关键：

（1）光信号的发射与接收

1）高功率光源及高码率调制技术

为了克服空间当中背景光的干扰，通常将信标光的频率调至10～5000Hz或5000～50000Hz。在激光通信中采用的信号光的光源通常是前文所述的半导体激光器或固体激光器，其工作在近红外波段，波长大约为0.8～1.5pm。

2）高灵敏度抗干扰的光接收技术

在空间中由于干扰较多，因此接收到的光信号都很弱，在太阳光、行星光等光源的干扰下更加增大了接收光信号的难度。因此高灵敏度抗干扰的光接受技术是空间激光通信需要解决的问题，在目前的技术条件下通常采用以下两种方式来削弱这种影响：

从接收端入手，提高接收端的灵敏度。

对接收到的信号进行有效的处理，采用弱信号检测技术。

3）精密、可靠、高增益的收发天线

为了使系统能够进行双向通信，因此采用收发合一的天线，这是从激光束的质量方面来考虑。此外，为了保证整个空间系统的安全稳定性，天线总体结构要求要轻便、可靠。

（2）光束的捕获、对准、与跟踪

1）捕获、对准过程：分别以A，B 表示需建立光链路的两个终端

① A 端机发出信标光，然后在不确定视场范围内进行扫描。B 端在A 端扫描的同时采取跳步扫描的方式进行扫描，另一帧B 端跳一步，凝视于另一角度。如果不确定视场不大，而B 端的接收视场等于或大于不确定视场时，则B 端不必进行扫描，只处于凝视等待状态。A 端信标光的光束在扫描过程中必然会落在B 端的接收视场内，即B 端必然会接收到A 端的信标光。

② 当B 端接收到A 端的信标光后，B 端探测器输出的位置误差信号，经处理后送给万向支架控制器，驱动万向支架转动，从而对准A 端。A 端收到B 端的信标光，达到一定门限后，扫描停止。A 端探测器（CCD）功输出位置误差信号，经处理后送给万向支架控制器，驱动万向支架转动，进一步对准B端。

③ A 端和B 端进一步调整，从而达到捕获、对准的目的。

目标跟踪

在对目标进行粗定位后，就要进行精确跟踪，采用的是跟踪、瞄准系统。在对目标进行了初步的识别之后，通过精确跟踪实现对目标进行实时跟踪，目前主要使用的是红外探测仪和前文所述高灵敏度传感器，并配备有其专用的电子系统。