激光測控通信技術的研究進展

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摘要：在航天測控通信領域方面激光測控通信技術是一種新型的通信技術，能夠超越一般通訊距離、通信的傳輸準確穩(wěn)定、信息的通訊速度快、具有較強的抵抗電磁干擾的能力。以對美國，歐盟，日本和俄羅斯在激光測控通信技術方面的研究成果和發(fā)展計劃作為基礎，瑞典型激光測控通信系統(tǒng)的性能指標進行了簡要的總結(jié)，對激光控制通訊技術的發(fā)展趨勢進行整體系統(tǒng)的分析，與我國激光測控通信技術的實際情況相結(jié)合整體總結(jié)出幾點發(fā)展的要求。

關鍵詞：測控；激光通信；激光測距；激光通信終端

伴隨著航天任務數(shù)量的激增，以人造衛(wèi)星、飛機以及平流層的飛艇，其分辨率的觀測系統(tǒng)以及載人飛船之間的對接、應用為導航的衛(wèi)星以及活性探測等項目，這些在系統(tǒng)中都有新的要求被提出，具體的表現(xiàn)為：（1）對衛(wèi)星軌道的精確度，衛(wèi)星的定位和對衛(wèi)星姿態(tài)的測定都提出了更高的要求；（2）對數(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣确矫娴奶嵘?；?）對傳輸距離的要求；（4）對安全防護能力的提升；（5）對測量控制成本的減少以激光作為信息載體的激光通訊系統(tǒng)，對于飛行器軌跡的測量以及地面基站的信息遙控等方面，有效的測量信息及傳輸?shù)耐ㄓ崳纬闪霜毩⒂纸y(tǒng)一的系統(tǒng)。因為激光有非常好的方向性，能量也可以完全的進行擊中，并且其頻率的通暢性也非常高，我們可以了解到，激光側(cè)控通信技術有以下幾點優(yōu)勢：（1）測量的準確度超過其他通信技術；（2）數(shù)據(jù)的傳輸速度快；（3）信息能夠傳遞很遠的距離；（4）能夠避免電磁對信息的干擾；（5）激光載體整個體積小，重量輕；（6）激光送通信系統(tǒng)建設完成后使用率高；激光聲控通信技術在實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝У耐瑫r滿足對數(shù)據(jù)或信息的高精準要求，逐漸形成航天測控通信技術的主要發(fā)展趨勢。全球各航天大國都對激光測控通信技術的發(fā)展予以重視，對于激光測控通信技術的發(fā)展，都投入了大量的時間和精力。最近幾年激光數(shù)控通信技術，取得了突破性的進展，激光數(shù)控通信技術的實驗驗證成功，完美的體現(xiàn)出了激光測控通信技術的優(yōu)勢。

一、激光測控通信技術研究現(xiàn)狀

（一）美國

1、月球激光通信演示。美國國家航空航天局在2013年的9月份成功研制出了月球激光通信星載終端，此終端同對月球大氣和灰塵環(huán)境探測器一起發(fā)射升空。在2013年的第四季度，十一月份左右，這一星載終端的完成，也就浴室這月球軌道飛行器和地球之間能夠?qū)崿F(xiàn)雙向的高速激光通信實驗。一個月球激光通信的終端和三個坐落在不同地區(qū)的光通信地面終端是LL-CD系統(tǒng)的基礎部分。這三個地面終端分別是，月球激光通信地面終端；月球激光通訊光學終端以及月球激光通訊光學地面系統(tǒng)。在實驗期間內(nèi)，參考氣象因素和可以進行觀測的時間，在提升星仔與地面基站的鏈接的接通率的同時降低了接通的時間。在2013年的10月18日，地月之間的雙向激光通信的時間第一次演示獲得成功。LL-CD的實驗周期就進行了一個月，這一個月的軌道實驗包含了高度精準的跟蹤技術，對激光通信在任何環(huán)境（天氣情況）或在晝、夜下的通訊實驗。此次實驗證明了LL-CD系統(tǒng)在白天能夠以穿透薄云層的方式對數(shù)據(jù)進行正常的輸送；證明了激光通信鏈路具有高精確度的測定技術，月球與地球之間的雙向測距精確度越來越小。2、激光通信中繼演示驗證美國正在實驗的激光通信中繼演示驗證LCRD，并且有兩套激光通信和地球同步軌道的人造衛(wèi)星，他們分別建立在美國加利福尼亞和夏威夷島。美國這兩個地區(qū)作為整個系統(tǒng)的基礎底面站。這一GEO衛(wèi)星是在2017年被發(fā)射的，在此前，實驗周期就為2年，并在軌告訴激光通信的實驗中，這一類型完全可以被DPSK與PPM同時進行操控。這一實驗能夠證明，DPSK系統(tǒng)在告訴與激光通信和PPM系統(tǒng)進行聯(lián)合，其主要的技術核心，就是中低碼率深孔激光通信技術。3、星間、星地相干激光通信早在2008年，利用BPSK進行調(diào)節(jié)的機制與靈相差相干的探測系統(tǒng)，德國低地球軌道衛(wèi)星Terra-SAR-X和美國低地球軌道衛(wèi)星NFIRE儀器完成了全球性的首次星間相干激光通信實驗。其鏈路的距離在3800到4900之間，通信的速度也達到了5.625Gbit/s。2009年6月17日我2010年3月10日時，對于這一衛(wèi)星到地面站以及其衛(wèi)星之間的相干激光通信也進行了實驗的證明。這一實驗成功，對星間以及星地告訴相干通信可以使用的實用性以及合理性都是完全可行的。在2013年的夏季，Alphasat地球同步軌道衛(wèi)星在激光通信終端的輔助下升空發(fā)射成功。2014年4月，Sentinel1A低地球軌道衛(wèi)星也將搭有載激光通信終端的衛(wèi)星發(fā)射成功，在同年的10月份，Alphasat地球同步軌道衛(wèi)星與Sentinel1A低地球軌道衛(wèi)星成功建立了激光通信連接，和1.8Gbit/s速度的星間相干激光通信實驗進行了通信連接。

（二）歐洲數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)

EDRS通信鏈接與Ka頻率作為LEO衛(wèi)星并服務的基礎，為無人機以及地面站提供用戶數(shù)據(jù)的服務，EDRS是能夠為EDRS-A和EDRS-B兩套通信衛(wèi)星的負載提供同時的滿足，分別具有自己的一套激光通信終端，此通訊終端用于實現(xiàn)星間高速激光通信的連接，連接所跨越最遠的距離能夠達到45000千米，信息碼處理的速度為1.8Gbit/s，在處理過程中出現(xiàn)錯誤碼的概率10的-8次方，整體采用相干通信系統(tǒng)。

二、激光測控通信技術發(fā)展趨勢

在近些年，我國對于航天技術大力發(fā)展，很多企業(yè)對于高速的激光通信技術以及精密的激光測量、激光控制和通信一體化等方面，都有深入的分析和研究，并取得了一定的成果。在2011年，我國已經(jīng)將星地雙向激光通信實驗實施完成，將“航天激光測控通信系統(tǒng)概念研究”和激光同通信一體化方案的設計成果作為了整個實驗的理論基礎，在國內(nèi)率先提出了激光統(tǒng)一側(cè)孔的理念，也與其他的聯(lián)合單位共同進行發(fā)現(xiàn)和研究。背景的遙測技術研究院在2014年，就利用激光告訴通信體制以及精密測距這兩個理論作為試驗演示的一句，通訊速度也與Gbit/s的級別相差無異，測量距離的精準度可以精確到毫米。但是我國的國內(nèi)技術和國外相比，還有較大的差距。一些國外相對發(fā)達的國家，其技術已經(jīng)成功的將激光測控通信站的實驗進行了實施，并且也對其更進一步的完善，成功的向工程的應用方面進行了拓展。國外的激光側(cè)孔通信技術發(fā)展的方向及經(jīng)驗，是可以讓我們借鑒和學習的。值得我們借鑒的地方有：

（一）激光測控以及通信技術已經(jīng)逐漸發(fā)展為整體化

激光通信技術為了能夠達到高精度測控以及高速通信這兩個目的，就需要應用同一套物理設備來完成。這一項技術無論是在導航星間路線連接，還是在地面的測控系統(tǒng)上，都是非常重要的。國外的設計與研究已經(jīng)將測量和通信的共同進行了同步應用。

（二）星載激光通信終端逐步向小型微型發(fā)展

激光通信終端在將距離和通信速度進行連接的時候，因為對工作頻率的要求比較高，波束小，在空間的傳輸上要將損失進行降低，所以小口徑的天線更適合發(fā)射功率的要求。因為體積小重量輕以及功能消耗較低，這些先天性的優(yōu)勢讓微笑衛(wèi)星通信載荷的應用更為適合。當前微納光電子器件與集成光學技術不斷發(fā)展，衛(wèi)星在激光通訊的終端微小型化的發(fā)展上，也提供了保障。

（三）激光通信網(wǎng)絡開始空天一體化

很多發(fā)達國家在激光終極系統(tǒng)部署的時候，都會考慮建立激光導航和通信。在天基激光通信系統(tǒng)完成后，會將各個國家的衛(wèi)星與空間站等進行相互的鏈接和對接，形成空天地合一的激光網(wǎng)絡通信。全球的第一個激光重疾衛(wèi)星系統(tǒng)DERS也是近些年才開始投入應用的。

三、結(jié)束語

我國航天任務對于測控系統(tǒng)的應用越來越有更高的要求，無論是高精度測量還是高速路通訊，我國需要對其應用的方面越來越多，激光測控的通信技術已經(jīng)逐漸的成為了航空飛行棋測控通信的重要方式，無論是在信息帶寬還是測量精度方面，亦或是對電磁干擾的抵抗力方面，都有非常優(yōu)異的表現(xiàn)。

參考文獻：

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[3]郭麗紅,張靚,杜中偉,等.NASA月球激光通信演示驗證試驗[J].飛行器測控學報,2015,（1）.

作者:陳凱 單位:國網(wǎng)福州供電公司