国内外空间光通信技术发展及趋势研究

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1、万方数据弱鳃黯固值中国科技核心期刊国内外空间光通信技术发展及趋势研究孙兆伟吴国强孔宪仁赵丹I哈尔滨工业大学卫星技术研究所哈尔滨150001)摘要全面介绍了国内外卫星光通信技术的发展、研究状况及卫星光通信技术系统的组成和主要关键技术，分析了卫星光通信相对于卫星微波通信的优点，最后对卫星激光通信的前景进行了综述。关键词卫星光通信空间光通信捕获跟踪瞄准中图分类号TN929．13文献标识码A1引言1945年，AnhurC1arke在《无线电世界》上发表了一篇文章[1】，提出了在自由空间进行光通信的设想。由于受器件的限制，

2、直到上世纪70年代初期才由美国开始进行自由空间光通信系统的研究，在上世纪70年代末设计出了世界上第一个光学空间通信实验终端。此后，日本、欧洲等各国纷纷开展了这方面的研究。空间光通信技术是指利用激光光束作为信息的载体，实现两个应用目标之间的通信，应用目标包括同步轨道、中轨道、低轨道、深空等卫星。其中，星间光通信是研究的重点之一，因为它具有广阔的军用和民用市场。另外，随着传输速率的要求，使得卫星通信所采用频段的不断提高，现代卫星通信频段已经扩展到了毫米波波段。卫星通信频段扩展过程与地面通信频段的扩展过程极为相似，可以

3、预测，随着卫星通信数据率的不断提高，卫星通信的频段也会不断提高，最后将与地面通信网发展一样，采用光频波段作为高速卫星通信的频段。2卫星光通信相对于卫星微波通信的优点(1)目前在卫星中已利用的微波带宽大约为2GHz(Ku波段和C波段)，而激光的频带宽度超过105GHz大约是微波波段带宽总和的10000多倍，设备间无射频信号干扰，目前无需申请使用许可证。收稿日期：2005一05—12作者简介：孙兆伟男，1963年生，教授，博士生导师。从事卫星总体仿真，卫星通信方面的研究，试验卫星一号的主要参与者之一。在国内外发表论文

4、30余篇(2)激光星间链路终端在体积、重量和功耗方面都具有优势。例如NASA准备在自由号空间站搭载的1．2Gb／s激光通信设备不到91kg(不含太阳能电池)。同等通信容量的微波设备重量为1000kg左右(含太阳能电池、天线)【2】。(3)激光链路有远高于微波星间链路的极高的潜通信数据传输率(可达100Gb／s)，实际上已经做到同时传输几百到几千，多者达几万路通话信路。(4)空间激光通信的抗干扰能力远比空间微波通信强很多。(5)激光通信的高指向性使它的发射光束极窄，方向性好。通常激光光束的发散角都在毫弧级，甚至微弧

5、度数量级，因此具有传递数据极高的保密性。(6)激光星地链路受大气及降雨影响比微波大，但日本的星地激光链路实验表明大气影响远比预期小，而且通过选择适宜的波长和采用多点布站方式设置地面站可以减少这些影响【3]。3国内外空间光通信系统研究现状和进展3．1美国空间光通信系统研究现状和进展美国宇航局(NASA)和美国空军是美国研究光通信的两个最主要部门。NASA主要研究GEO—GEO链路高码率通信和低空链路的低码率通信，其代表系统是LCDS嗍(Laser。CommunicationDemonstrationSys—tem)

6、，该系统的技术要求至少有一个通信端机在太空中，通信码率大于750Mb／s。林肯实验室于上世纪80年代负责美国空间激光通信的研究，开始建立空间激光通信系统，从事必要部件及系统的开发研究、演示、实验论证。早期的林肯实验室从事相干光通信的研究，其主要光源是用商用的30mWAlGaAs半导体激光器。采用外差法成功地实现了终端一终端高码率卫星通信的演示实验，并且演示了空间捕获和跟踪定位功能。林肯实验室还和NASA共同致力于NASA—ACCS通信卫星演示系统的研制。以后又成功地进行了SIR—C，Radar—c，s—SAR等2

7、005年第9期．允翘镭投书⑩万方数据弱国船固值国内外空间光通信技术发展及趋势研究系统的演示实验，还进行了TDRSS(rIhckingDataRe·laySatelliteSystem)，DOD(DepartmentofDefense)，TOPSAT(TheT0pographicalm印pingSatellite)等系统的研究。1999年，美国JPL实验室进行了双向46．8km水平地面光链路实验，该实验为未来卫星与地面站间激光通信的系统设计，特别是有关减轻大气影响的设计提供一个较早的评估。另外由美国JPL实验室资助

8、，FYl998在为先进外层空间系统发展计划(ADSSD)设计和发展一个光通信(Opcomm)子系统。这项研究的目标在于最终能够提供一种原型设备，它能在外层空间的巨大距离下建立上行和下行的双向链路，并同时具备广泛的搜索功能。从1995年起，美国的弹道导弹防御组织(BMDO)实施了STRV一2实验计划(SpaceTechnologyResearchVehicle2)该项计划的