衛(wèi)星光通信系統(tǒng)及其發(fā)展

衛(wèi)星光
通信系統(tǒng)及其發(fā)展

class="song">譚立英　馬晶　黃波

　　摘要
　本文首先介紹了衛(wèi)星光通信系統(tǒng)的組成，然后重點介
紹了其關(guān)鍵技術(shù)、發(fā)展趨勢及今后研究的重點。

　　關(guān)鍵詞　衛(wèi)星光通信　子系統(tǒng)　分析

１　引言

　　class="song">衛(wèi)星光通信是一個較新的研究領(lǐng)域，美國、歐洲、日本等國都對此極其關(guān)注，并已
進行了深入的研究，這主要是因為用激光進行衛(wèi)星間通信具有如下優(yōu)點：

　　（１） 開辟了全新的通信頻道，使衛(wèi)星間通信容量大為增加，且有潛在
優(yōu)勢；

　�。ǎ玻� 減小了衛(wèi)星通信設(shè)備的體積和重量；

　　（３） 增加了衛(wèi)星通信設(shè)備的保密性；

　�。ǎ矗� 減少地面站，最少可只有一個地面站。

　　隨著元器件發(fā)展，衛(wèi)星光通信技術(shù)基本成熟，并正向商業(yè)化方向發(fā)展。美
國、歐洲、日本等國家都制定了多項有關(guān)衛(wèi)星光通信的研究計劃，對衛(wèi)星光通信系統(tǒng)所涉及到的各
項關(guān)鍵技術(shù)展開了全面的研究，在最近幾年衛(wèi)星光通信就將進入實用化階段。而對小衛(wèi)星星座間激
光星間鏈路的研究更將促進其商業(yè)化發(fā)展。可以預(yù)計，衛(wèi)星光通信必將成為下個世紀(jì)超大容量衛(wèi)星
通信的主要途徑。

　　我國曾開展過激光大氣通信理論、技術(shù)與系統(tǒng)的研究，但這些工作是以實
現(xiàn)地—地之間大氣傳輸光通信為應(yīng)用背景。近年來對原子濾波器的研究，為實現(xiàn)強背景干擾（強太
陽光背景和水下散射）情況下的光通信提供了技術(shù)支持，但是距離實際應(yīng)用還有相當(dāng)?shù)木嚯x。對于
衛(wèi)星間光通信技術(shù)的研究在我國已經(jīng)展開，已完成了對國外研究情況的調(diào)研分析，并進行了對衛(wèi)星
光通信系統(tǒng)的計算機模擬分析及初步的實驗室模擬實驗研究，對于衛(wèi)星光通信關(guān)鍵技術(shù)的研究也正
在進行。下面，將對衛(wèi)星光通信系統(tǒng)的構(gòu)成及未來發(fā)展進行全面介紹，以推動我國衛(wèi)星光通信研究
的開展。

２　衛(wèi)星光通信系
統(tǒng)的組成

　　衛(wèi)星光通信系統(tǒng)
由下面幾個主要子系統(tǒng)組成：

　�。ǎ保� 光源子系統(tǒng)

　　在衛(wèi)星光通信中，通信光源至關(guān)重要。它直接影響天線的增益、探測器件
的選擇、天線直徑、通信距離等參量，因此對光源子系統(tǒng)研究十分必要。

　�。ǎ玻� 發(fā)射、接收子系統(tǒng)

　　發(fā)射、接收子系統(tǒng)是衛(wèi)星光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵子系統(tǒng)之一。光發(fā)射機大致可
認(rèn)為是光源、調(diào)制器和光學(xué)天線的級聯(lián)，而光接收機則可看成是光學(xué)接收天線和探測器、解調(diào)器的
級聯(lián)。

　　調(diào)制的作用是將
需要發(fā)射的信號調(diào)制到光載波上；探測、解調(diào)是通過光電轉(zhuǎn)換器件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。探測部
分還包括濾波、放大部分，該部分也是衛(wèi)星光通信系統(tǒng)中必不可少的。

　�。ǎ常� 瞄準(zhǔn)、捕獲、跟蹤子系統(tǒng)

　　瞄準(zhǔn)、捕獲、跟蹤子系統(tǒng)是衛(wèi)星光通信系統(tǒng)中非常重要的子系統(tǒng)之一。光
信號的瞄準(zhǔn)、捕獲、跟蹤是衛(wèi)星光通信的難點、重點。信標(biāo)子系統(tǒng)也包括在此部分中。


　　另外，衛(wèi)星光通信系統(tǒng)中，還有一些輔助器件、伺服系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。
下面分別對各子系統(tǒng)進行討論，并給出各國衛(wèi)星光通信系統(tǒng)的一些參數(shù)。

２．１　光源子系統(tǒng)


　　美國ＪＰＬ實驗室、加利福尼亞大學(xué)等都對光源系統(tǒng)進行了各方面的研
究，如電磁波在自由空間的傳播損耗情況，給定發(fā)射距離和發(fā)射孔徑時接收能量密度與光源波長的
關(guān)系，光在大氣中的傳播、吸收和散射，大氣模型、大氣起伏、探測器性能、激光光源性能、壽命
和技術(shù)，濾波、瞄準(zhǔn)，信道噪聲等因素。

　　美、歐、日在ＬＥＯ－ＬＥＯ（低軌道衛(wèi)星—低軌道衛(wèi)星）和ＬＥＯ－Ｇ
ＥＯ（低軌道衛(wèi)星—靜止軌道衛(wèi)星）鏈路中，波長都采用８００～８５０
ｎｍ范圍的ＡｌＧａＡｓ激光器，因為該范圍的ＡＰＤ探測器件工作在峰值，
量子效率高、增益高。而在星地鏈路中的地面裝置中采用倍頻Ｎｄ：ＹＡＧ激光器或氬離子激光器
作為光源，波長在５１４～５３２
ｎｍ。該波段具有較強的抗干擾能力，能穿過大氣而不使通信中斷。而從抗太
陽的干擾因素來看以及隨著半導(dǎo)體激光器的發(fā)展，將來衛(wèi)星光通信采用的光源有向更短波段發(fā)展的
趨勢。半導(dǎo)體激光器泵浦Ｎｄ：ＹＡＧ激光器由于不僅具有良好的相干性，而且可以做得體積很
小，因而也是將來星上激光器的一個良好選擇。

２．２　發(fā)射、接收、信標(biāo)子系統(tǒng)


　　在衛(wèi)星光通信系統(tǒng)中，發(fā)射、接收、信標(biāo)子系統(tǒng)占有重要的地位。其中發(fā)
射、接收部分是衛(wèi)星光通信系統(tǒng)傳遞信息的關(guān)鍵部分，而信標(biāo)部分雖然是瞄準(zhǔn)、捕獲、跟蹤子系統(tǒng)
的組成部分，但是由于它本質(zhì)上與發(fā)射系統(tǒng)是類似的，所以將它歸入此部分。

２．２．１　發(fā)射、接收子系統(tǒng)

　　發(fā)射、接收部分主要涉及到發(fā)射及接收天線的選擇，濾波元件及信號接收
（探測）器選取，調(diào)制、解調(diào)方式等問題。發(fā)射、接收天線的型式、孔徑以及收發(fā)天線是否采用同
一套天線等，各國所研制的衛(wèi)星光通信系統(tǒng)有所不同。

　�。ǎ保� 天線

　　衛(wèi)星光通信系統(tǒng)的發(fā)射、接收天線實際上就是一個光學(xué)望遠鏡，天線的型
式根據(jù)具體情況可采用卡塞格倫型反射式天線或透射式天線。一般說來，在現(xiàn)在選用的衛(wèi)星光通信
波段范圍，對于孔徑較大的天線，如ＳＩＬＥＸ系統(tǒng)的２５
ｃｍ天線，可采用反射式天線，這有助于降低天線的制造難度，提高天線的可
靠性、減輕重量；而在天線孔徑較小時，則選用透射式天線，如小光學(xué)用戶終端（ＳＯＵＴ）的天
線系統(tǒng)。

　　由于天線的孔徑直接影響著天線的增益，孔徑越大，增益越大，因此從提
高天線增益的角度來說，衛(wèi)星光通信系統(tǒng)的天線孔徑應(yīng)當(dāng)選取大一些。但是，孔徑增大，天線的體
積、重量也要增加，故星上天線孔徑也不能過大。一般衛(wèi)星光通信系統(tǒng)的星上天線孔徑在３０
ｃｍ左右，如ＳＩＬＥＸ系統(tǒng)裝于ＧＥＯ衛(wèi)星上的天線孔徑為２５ ｃｍ，裝
于ＬＥＯ上的為１８ ｃｍ；ＪＰＬ研制的衛(wèi)星光通信系統(tǒng)接收天線孔徑為３２
ｃｍ；日本進行空—地光通信實驗的衛(wèi)星光通信系統(tǒng)星上天線孔徑為３０ ｃ
ｍ。

　　美國ＪＰＬ的衛(wèi)星光通信系統(tǒng)中收發(fā)天線不共用，且用兩個６００ Ｍｂ
ｉｔ／ｓ的通道實現(xiàn)１．２ Ｇｂｉｔ／ｓ的通信數(shù)據(jù)率，而歐、日是收發(fā)天線共用，單通道通
信。收發(fā)不共用的優(yōu)點是可降低損耗，缺點是使終端體積增大，而收發(fā)共用的優(yōu)點是光終端體積
小，但由于增加分光鏡等分光器件，使光能的損耗增加。

　　（２） 濾波、探測

　　濾波器、探測器是接收系統(tǒng)中的重要部分，目前美國、歐洲、日本研制的
衛(wèi)星光通信系統(tǒng)中的濾波基本上都采用干涉濾光片，半帶寬≤７
ｎｍ，這有助于簡化整個接收系統(tǒng)，有利于提高系統(tǒng)的可靠性。同時，對于Ｇ
ＥＯ－ＬＥＯ鏈路，由于兩星間的相對運動速度很高，會造成較大的多普勒頻移，因此濾波器的帶
寬也不能選得過窄。從此方面考慮，干涉濾光片也是一個良好的選擇。接收通信信號的探測器一般
都選用雪崩光電二極管（ＡＰＤ），因為ＡＰＤ有很高的增益，且峰值靈敏度在８００
ｎｍ附近。

　　在現(xiàn)有的衛(wèi)星光通信系統(tǒng)中，由于均采用半導(dǎo)體激光器作為光源，探測都
采用直接探測方式。隨著半導(dǎo)體激光器泵浦Ｎｄ：ＹＡＧ激光器（ＤＰＬ）的發(fā)展，相干探測系統(tǒng)
也得到不斷的改進。由于相干探測有著比直接探測高得多的靈敏度，當(dāng)ＤＰＬ發(fā)展到成熟階段時，
衛(wèi)星光通信的探測方式將轉(zhuǎn)變?yōu)橐韵喔商綔y為主，這也會進一步提高衛(wèi)星光通信的質(zhì)量。

　�。ǎ常� 調(diào)制、解調(diào)子系統(tǒng)

　　現(xiàn)有衛(wèi)星光通信系統(tǒng)的光源基本上都選用半導(dǎo)體激光器，因此均采用最簡
單的直接調(diào)制方式，這使得整個調(diào)制裝置變得簡單、可靠。在現(xiàn)階段衛(wèi)星光通信均采用基帶傳輸方
式。編碼方式則根據(jù)不同的系統(tǒng)有所不同，而且隨著數(shù)據(jù)率的提高，新的編碼方式、探測方法也在
不斷地出現(xiàn)，如自差式探測、組合脈沖位置調(diào)制（ＣＰＰＭ）；利用不同偏振（極化）方向的偏振
光實現(xiàn)多通道傳輸，如ＪＰＬ研制的衛(wèi)星光通信模擬系統(tǒng)采用不同極化的兩路通道傳輸，每路通道
傳輸數(shù)據(jù)率為６００
Ｍｂｉｔ／ｓ，從而使整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)率達到１．２ Ｇｂｉｔ／ｓ。

　　隨著激光光源種類的不斷發(fā)展，適用于衛(wèi)星光通信星上系統(tǒng)的激光器也不
僅僅只有半導(dǎo)體激光器。半導(dǎo)體激光器泵浦倍頻ＹＡＧ激光器（ＤＰＬ），由于其具有體積小、相
干性好的明顯優(yōu)勢，使用它可以采用外差探測方式，大幅度地提高探測靈敏度，并且由于在大氣中
傳輸時，其波長（５３２
ｎｍ）具有優(yōu)勢，因此在星—地鏈路中是首選激光器。預(yù)計ＤＰＬ將是未來衛(wèi)
星光通信系統(tǒng)中的一種重要光源。但由于ＤＰＬ等新型光源的引入，使得衛(wèi)星光通信的調(diào)制方式不
再采用直接調(diào)制方式，所以調(diào)制方法也將是未來衛(wèi)星光通信系統(tǒng)的一個重要研究方面。

２．２．２　信標(biāo)子系統(tǒng)

　　由于衛(wèi)星光通信系統(tǒng)的通信信號光束發(fā)散角非常小，因此如果利用信號光
束進行瞄準(zhǔn)、捕獲將會是非常困難的過程。所以在衛(wèi)星光通信系統(tǒng)中都要單獨設(shè)立一個激光信標(biāo)子
系統(tǒng)，此系統(tǒng)原則上應(yīng)歸到瞄準(zhǔn)、捕獲、跟蹤子系統(tǒng)中，但由于其結(jié)構(gòu)與發(fā)射子系統(tǒng)很相似，故將
其納入此部分。下面以ＳＩＬＥＸ系統(tǒng)的信標(biāo)系統(tǒng)為例介紹如下。

　　信標(biāo)光束主要是給瞄準(zhǔn)、捕獲過程提供一個較寬的光束，以便在掃描過程
中易于探測到信標(biāo)光束，進而進行后面的調(diào)整過程。在ＳＩＬＥＸ系統(tǒng)中，信號光束的發(fā)散半角寬
是８
μｒａｄ，在接收天線處的光斑直徑只有３２０ ｍ，而信標(biāo)光束的發(fā)散半角
寬為

３５０ μｒａｄ，在接收天線處的光斑直徑擴展到２８ ｋｍ。信標(biāo)光源波長
為８００ ｎｍ附近，系統(tǒng)要求信標(biāo)激光器在接近壽命時仍然有不小于８
ｋＷ／Ｓｒ的光強，空間壽命為１０年，在１ ５００ ｈ的運轉(zhuǎn)時間內(nèi)可靠度
高于９９％。

２．２．３　發(fā)射、接收、探測、信標(biāo)子系統(tǒng)研究中的關(guān)鍵問題

　�。ǎ保� 溫度對系統(tǒng)的影響

　　溫度對衛(wèi)星光通信系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)在對光源的輸出波長和光學(xué)系統(tǒng)各
光學(xué)元件及支撐裝置尺度的影響上。

　�。ǎ玻� 精密光學(xué)系統(tǒng)的研制

　　發(fā)射、接收系統(tǒng)的天線等光學(xué)部分，不僅擔(dān)負(fù)著接收發(fā)射來的光信號，使
其聚焦到信號探測器上，而且還擔(dān)負(fù)著發(fā)射光束的準(zhǔn)直及捕獲、跟蹤任務(wù)。衛(wèi)星光通信系統(tǒng)的捕
獲、跟蹤基本是采用高精度ＣＣＤ傳感器完成的，而實際的捕獲、跟蹤精度高低又有很大程度取決
于光學(xué)系統(tǒng)對接收來的光學(xué)信號成像的精確程度。因此，衛(wèi)星光通信系統(tǒng)要求光學(xué)元件對光波波前
產(chǎn)生的誤差非常小，一般在λ／１０～λ／３０之間，而這樣的精度在光學(xué)元件的加工制造上都存
在相當(dāng)?shù)碾y度，所以精密光學(xué)系統(tǒng)的研制是發(fā)射、接收子系統(tǒng)研制中的關(guān)鍵問題之一。

　�。ǎ常� 振動的影響

　　衛(wèi)星平臺由于各種原因而產(chǎn)生的振動對衛(wèi)星光通信系統(tǒng)會帶來很大的影
響，這不僅表現(xiàn)在使探測、捕獲過程的難度加大，而且還會使通信的誤碼率增加，嚴(yán)重時甚至?xí)��?br />通信中斷，這在小衛(wèi)星星座的星間激光鏈路中更為嚴(yán)重。振動對衛(wèi)星光通信的影響問題，已經(jīng)越來
越引起人們的注意。歐空局曾對衛(wèi)星平臺的振動進行了空間實測，
利用地基激光雷達對衛(wèi)星振動的測量也已經(jīng)完成，并已有人開始了對此問題的
研究工作。然而無論如何，此問題始終是衛(wèi)星光通信系統(tǒng)研制中的一個關(guān)鍵問題。

２．３　捕獲、跟蹤子系統(tǒng)

　　捕獲、跟蹤子系統(tǒng)是衛(wèi)星光通信系統(tǒng)中的一個相當(dāng)重要的子系統(tǒng)，它關(guān)系
到衛(wèi)星光通信的成敗。因此各國在對衛(wèi)星光通信系統(tǒng)的研究中，都在捕獲、跟蹤子系統(tǒng)的研究方面
投入了大量的人力、物力。各研究機構(gòu)和大專院校也都提出了一些捕獲、跟蹤系統(tǒng)的方案，其中的
相當(dāng)一部分做了實驗室模擬。這些方案在探測時的掃描方式以及探測、跟蹤傳感器的選用等方面都
有所不同，應(yīng)該說是各有優(yōu)缺點。但被實際（如歐空局的ＳＩＬＥＸ系統(tǒng)以及日本已實驗成功的
空—地激光鏈路）采用的捕獲、跟蹤方案是基本一致的。有關(guān)捕獲、跟蹤子系統(tǒng)將另文討論。

class="song">３　結(jié)束語

size="3">　　對衛(wèi)星光通信技術(shù)的研究在美、歐、日等國已開展了近２０
年，但是前些年由于受到元器件技術(shù)的限制發(fā)展較慢。進入９０年代，隨著元器件技術(shù)的成熟和發(fā)
展而進入商業(yè)化發(fā)展階段。特別是小衛(wèi)星星座的迅猛發(fā)展，使得對小衛(wèi)星星座的星間光通信更加重
視。利用小衛(wèi)星星間光通信實現(xiàn)全球個人移動通信，已不是遙遠的事情了。

　　我國雖然在此方面的研究工作開展較晚，但由于衛(wèi)星光通信的元器件及技
術(shù)已成熟，同時又有國外經(jīng)驗借鑒，如抓緊機會，定會在較短時間內(nèi)趕上世界發(fā)達國家研究水平。
因此，我國應(yīng)該盡快投入人力、物力，全面開展衛(wèi)星光通信的研究工作。只有這樣，我國才能在將
來的全球衛(wèi)星商業(yè)通信中處于領(lǐng)先地位。