星间光通信无信标捕跟瞄技术

无信标捕跟瞄技术以通信光为信标光,无需额外的信标光激光器,在重量和功耗受限的卫星光通信应用中更具优势。针对低轨小卫星平台星间光通信,对直接探测方式下的捕跟瞄链路进行功率预算分析,研究光通信终端的无信标捕跟瞄技术,设计捕跟瞄流程,并深入分析视轴抖动对捕获时间和捕获概率的影响,提出剩余不确定区域计算方法。结果表明:所设计的无信标捕跟瞄方法所需最大激光发射功率为0.135 W,捕获时间为30 s,捕获概率为95%,能够满足低轨星间光通信链路要求。     

基于无信标光APT系统捕获性能分析

针对自由空间激光通信系统中无信标光捕获模式下,信号光的发散角小、存在捕获困难的问题,提出一种在APT系统中采用精跟踪快速反射镜作为捕获执行机构进行捕获的方法。基于捕获过程中捕获时间的理论模型,对多场步进扫描和多场快速全场扫描进行理论分析、Monte Carlo仿真,通过仿真分析可知,在无信标捕获模式下选择多场快速全场扫描捕获性能最佳,并且验证了仿真结果与理论模型的一致性。     

卫星激光通信复合轴光跟瞄技术及发展

卫星激光通信具有巨大的潜在应用价值,国际上已实现高码率、小型化、轻量化和低功耗激光通信终端,其中光学跟瞄系统的设计和控制是关键技术之一。由粗跟踪系统和精跟踪系统组成的复合轴系统能实现光跟瞄系统的大范围、高精度跟踪任务。对卫星激光通信光学跟瞄系统的特点和关键技术进行了讨论,介绍了光跟瞄技术中的扫描、捕获、指向、跟踪过程,综述了复合轴光跟瞄控制系统的国外研究进展。最后对卫星激光通信复合轴光跟瞄系统的应用前景进行了展望。     

星间光通信中快速捕获技术研究

针对卫星光通信系统的无信标光捕获中信号光束散角小、捕获难度大的问题,提出在光通信终端的捕获、跟踪和瞄准子系统中采用超前瞄准镜作为扫描执行机构进行扫描捕获.对捕获过程中的各个因素进行了理论建模,特别对步进扫描和连续扫描两种捕获模式分别进行了分析,并对不确定区域进行了优化设计以减小捕获时间.     

基于空间激光通信组网四反射镜动态对准研究

空间激光通信全光链路组网具有较高的通信速率,决定了其在未来全球空间通信领域中的重要地位及发展方向。全光链路组网需解决一点对多点的光学链路问题,不同方法所涉及的结构和跟踪控制方式会有较大差异。基于全光链路组网光学原理,提出了一种轨面四反射镜光学天线结构。基于链路组网方案的光学动态跟踪原理进行数学建模,给出链路通信节点间动态对准时光学参量间的关系,并对数据进行分析,可用于空间激光通信终端捕获、跟踪、瞄准(ATP)控制系统。提出了一种低轨双链路列队卫星组网方案,将激光通信终端光学天线四跟踪平面反射镜的工作面置于卫星轨道平面链路节点处,可实现低轨全光链路空间激光通信组网。     

基于GPS的星地激光通信捕获对准研究

提出了基于GPS坐标解算实现星地激光通信捕获、跟踪和对准(ATP)初始捕获的方法。星地激光通信信标光跟踪系统通过对地面GPS坐标和卫星坐标的解算,得到地面光学天线的方位角和俯仰角,光学天线根据角度旋转对准信标光,从而将信标光引入粗跟踪CCD的视场。给出了GPS坐标解算算法和信标光方向角度随卫星坐标变化的仿真曲线。用二维电机进行了地面转台的捕获实验,对实验数据进行了捕获精度的分析,结果表明,通过GPS坐标解算能够快速地实现信标光的初始捕获。     

空间激光通信单探测器复合跟踪控制技术研究

空间激光通信终端伺服系统是一种高精度的跟踪机构,在扰动条件下,通信系统对跟踪系统的稳定性及精度提出了较高的要求。本文主要介绍了激光通信伺服系统的复合跟踪技术,详细论述了单探测器复合跟踪方式的选择以及激光通信伺服系统的控制流程。最后,在振动平台上进行了粗精复合的激光跟踪实验。实验结果显示,当通信终端系统跟踪最大振动加速度为0.22°/s2的振动平台时,跟踪目标平稳性较好,单独采用粗跟踪时误差为60 μrad,采用粗精复合跟踪时位置误差可以达到2 μrad。实验结果表明,空间激光通信系统中单探测器复合跟踪技术的设计满足了系统跟踪精度的要求,为激光通信控制系统的设计提供了一定的参考。     

基于合作信标的卫星激光通信瞄准捕获仿真系统

针对星间激光通信基于合作激光信标的瞄准与捕获过程,在LabVIEW(虚拟仪器)平台上研制了一套瞄准与捕获仿真系统。该系统模拟卫星轨道姿态动力学,建立双星指向关系,仿真双自由度转台初始对准。根据不确定区域大小,驱动信标激光进行螺旋扫描,根据信标光束散角及探测器视场,确定仿真捕获点以完成捕获。加入含有高斯噪声的最大速度为1°/s,最大加速度为1°/s2的等效正弦扰动进行了动态捕获实验。最终实现了同步轨道卫星和近地轨道卫星间动态双星激光通信瞄准与捕获仿真,形成了基于虚拟仪器的激光通信全过程仿真模式,为跟踪系统仿真及无信标捕获的仿真奠定了基础。     

XY-2号卫星激光通信载荷PAT在轨测试

针对低轨小卫星星座的通信需求，设计了基于双棱镜和四象限雪崩光电二极管(QAPD)结构收发同轴的激光通信载荷，该方案是无信标光体制，具有体积小、轻量化和大视场的特点。文中针对双棱镜结构，给出了双棱镜输入输出光线的计算模型，在此基础上，提出了星间指向、捕获和跟踪的实现方式，并在XY-2号卫星上进行了在轨测试和验证，进行指向测试时，更新了指向偏移量，标定了QAPD跟踪点，并进行了双向建链测试。进行了15次双向建链测试表明，该激光通信载荷捕获时间小于20 s，捕获成功率达到100%，捕获后双星建链时间优于2 s，建链测试成功率达到了93%，建链后跟踪精度RMS值小于30 μrad。     

空间光通信系统的初始捕获对准研究及实验

文章提出采用GPS(全球定位系统)坐标解算和蜂窝螺旋扫描来实现空间光通信ATP(捕获、跟踪和对准)系统初始捕获的方法。首先由通信两端的GPS坐标计算出光学天线的方位角和俯仰角,光学天线根据计算的角度值大致对准信标光的方向,从而缩小了信标光捕获的不确定区域。然后在不确定区域内执行蜂窝螺旋扫描,从而将信标光引入粗跟踪CCD(电荷耦合元件)的视场内,实现初始捕获。通过地面捕获实验验证了上述方法的有效性。     

GEO与LEO间激光通信轨道特性仿真

为了优化GEO与LEO间激光通信系统的性能,建立了卫星通信轨道特性仿真模型。通过对一年内卫星数据的分析可知,卫星通信终端间的多普勒频移变化范围约为5109 Hz,可以使用多普勒频移补偿方法减少GEO与LEO之间的多普勒频移影响。对于相干通信,终端必须进行频移补偿;提前量角的范围大于激光束散角,因此终端需要进行提前量补偿,激光通信系统可根据提前量角对视轴进行提前修正,以减少相对速度对激光通信的影响;太阳干扰和地球遮挡的时间较长,应该进行卫星组网以改善可通率,在通信过程中应根据通信终端时间,优化两个通信终端的工作流程;GEO和LEO终端的视轴变化情况不同,因此应该为卫星设计不同结构。     

液晶光学相控技术在卫星通信多接入中的应用

在空间激光通信、组网过程中,为了能够实现一颗卫星终端对多颗卫星终端的物理光束接入,从而使得一颗卫星能与多颗卫星实现数据分发、路由、交换等组网功能,对卫星激光通信捕跟过程中存在的多终端物理接入方法进行了研究。在基于液晶光学相控阵多波束生成能力和多波束赋形的理论基础上,设计了一种新型的多终端接入方法。该方法的核心是利用液晶光学相控阵的多波束生成与控制能力实现对多个终端的接入。对光束在远场光斑的位置信息以及接入过程中的衍射效率和能量损耗情况进行仿真来验证该方案是否满足空间激光通信终端接入要求。仿真结果发现接入过程中的衍射效率大于80%,能量损耗小于1 dB,表明该方案有效可行。     

国外激光链路中继卫星系统的发展与启示

激光链路中继卫星系统是指以激光波束为媒介,为低轨信息获取类卫星提供高速数据传输服务的卫星系统。国外已开展了多次星间、星地激光通信实验,已由强度调制/直接探测通信体制过渡到相位调制/相干解调通信体制,通信速率可达5.6 Gbps。卫星激光通信正向更高通信速率、组网应用、终端小型化、轻量化方向发展。在系统分析欧洲、日本、美国等国家典型星间、星地激光通信实验和中继卫星发展计划的基础上,讨论了激光链路中继卫星系统的发展趋势,总结得到对发展我国激光链路中继卫星系统的若干启示。     

中低轨卫星跨层激光链路二次同步切换方法

中低轨卫星之间跨层激光链路的无缝切换直接决定了双层卫星光网络的稳定性.异步切换方法会导致网络拓扑频繁重构,而集中同步切换将造成两层间连接中断,网络运行状态失控.为此,本文提出了中低轨卫星星座激光链路的二次同步切换方法,在保证中低轨道卫星连通的基础上,可降低网络拓扑重构频率.研究了整数周期比的中轨道和低轨道卫星空间位置特性,建立了中低轨卫星星座构形二阶非球摄动模型,确定了中低轨道之间轨道周期比为3的双层卫星星座构形.按连接和切换顺序将该星座构形中跨层激光链路分为两组,以相对周期的1/4为基准,每次令其中一组同步切换,通过交替完成切换.研究结果表明,二次同步切换方法使得网络拓扑重构频率降低到链路切换频率的1/7,比集中切换方法在网络平均时延方面降低了30ms.     

采用原子滤光器可调谐特性的新型卫星光通信捕捉方案研究

本文提出了在卫星光通信链路中利用原子滤光器可调谐特性的新型捕捉系统方案,可以将原子滤光器带宽的典型值减小到0.01nm,该方案可以适应低轨道卫星(LEO)到同步轨道卫星(GEO)任意可见时刻建立链路的需要,本文并对该方案进行了初步实验研究.     

基于分布式星群的双层星座设计

当前,陆地通信系统已无法满足日益复杂的信息需求,利用空间信息网络实现全球范围内的无缝覆盖和高效容量传输成为研究热点。现有卫星通信系统以单层星座为主,缺少高低轨卫星之间的协同。提出了一种基于分布式星群的双层星座设计,以基于分布式星群的低轨卫星作为网络架构的基础,采用星间链路实现低轨卫星之间的通信,通过高轨卫星实现中低纬度地区覆盖性能加强。仿真结果表明,所提方法在仅依靠在国内部署卫星地面站的前提下可实现全球多重覆盖。     

一种低轨卫星通信的定时提前计算方法

低轨(LEO)卫星网络作为地面网络的重要补充,是未来天地一体化网络的重要组成部分。由于LEO卫星的高移动速度以及星地通信的大传播距离造成了高传播时延,因此需要新的针对LEO卫星星地通信背景的上行链路的定时提前量(TA)的计算策略。本文基于LEO卫星的星地通信场景,介绍了TA及其在协议中的规定,并针对LEO卫星的特点,提出一种LEO卫星通信的定时提前计算方法。通过仿真分析验证了所提方案的有效性,为LEO卫星星地通信系统的设计提供了参考。     

面向低轨卫星网络的组网关键技术综述

随着信息通信技术的不断发展，人类对于扩大网络覆盖范围和降低通信时延的要求越来越高。低轨卫星网络是一种利用轨道高度较低的卫星构建的网络体系，具有覆盖范围广、通信时延低等优势。基于此，首先概述了低轨卫星网络的国内外发展现状及其组网所面临的挑战，进一步阐述了低轨卫星网络组网关键技术难点及建议，最后结合分布式、博弈论和人工智能等方法，对潜在可行的低轨卫星组网方案进行了探讨。