激光測控通信技術(shù)的研究進(jìn)展
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摘要：在航天測控通信領(lǐng)域方面激光測控通信技術(shù)是一種新型的通信技術(shù)，能夠超越一般通訊距離、通信的傳輸準(zhǔn)確穩(wěn)定、信息的通訊速度快、具有較強(qiáng)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(shù)方面的研究成果和發(fā)展計(jì)劃作為基礎(chǔ)，瑞典型激光測控通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行了簡要的總結(jié)，對激光控制通訊技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行整體系統(tǒng)的分析，與我國激光測控通信技術(shù)的實(shí)際情況相結(jié)合整體總結(jié)出幾點(diǎn)發(fā)展的要求。
關(guān)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(wù)數(shù)量的激增，以人造衛(wèi)星、飛機(jī)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(yīng)用為導(dǎo)航的衛(wèi)星以及活性探測等項(xiàng)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(hù)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?，形成了?dú)立又統(tǒng)一的系統(tǒng)。因?yàn)榧す庥蟹浅：玫姆较蛐裕芰恳部梢酝耆倪M(jìn)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(shù)有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：（1）測量的準(zhǔn)確度超過其他通信技術(shù)；（2）數(shù)據(jù)的傳輸速度快；（3）信息能夠傳遞很遠(yuǎn)的距離；（4）能夠避免電磁對信息的干擾；（5）激光載體整個(gè)體積小，重量輕；（6）激光送通信系統(tǒng)建設(shè)完成后使用率高；激光聲控通信技術(shù)在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝У耐瑫r(shí)滿足對數(shù)據(jù)或信息的高精準(zhǔn)要求，逐漸形成航天測控通信技術(shù)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(shù)的發(fā)展予以重視，對于激光測控通信技術(shù)的發(fā)展，都投入了大量的時(shí)間和精力。最近幾年激光數(shù)控通信技術(shù)，取得了突破性的進(jìn)展，激光數(shù)控通信技術(shù)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證成功，完美的體現(xiàn)出了激光測控通信技術(shù)的優(yōu)勢。
一、激光測控通信技術(shù)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(shí)驗(yàn)。一個(gè)月球激光通信的終端和三個(gè)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(chǔ)部分。這三個(gè)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(xué)終端以及月球激光通訊光學(xué)地面系統(tǒng)。在實(shí)驗(yàn)期間內(nèi)，參考?xì)庀笠蛩睾涂梢赃M(jìn)行觀測的時(shí)間，在提升星仔與地面基站的鏈接的接通率的同時(shí)降低了接通的時(shí)間。在2013年的10月18日，地月之間的雙向激光通信的時(shí)間第一次演示獲得成功。LL-CD的實(shí)驗(yàn)周期就進(jìn)行了一個(gè)月，這一個(gè)月的軌道實(shí)驗(yàn)包含了高度精準(zhǔn)的跟蹤技術(shù)，對激光通信在任何環(huán)境（天氣情況）或在晝、夜下的通訊實(shí)驗(yàn)。此次實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(shù)，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(yàn)證美國正在實(shí)驗(yàn)的激光通信中繼演示驗(yàn)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(gè)地區(qū)作為整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)底面站。這一GEO衛(wèi)星是在2017年被發(fā)射的，在此前，實(shí)驗(yàn)周期就為2年，并在軌告訴激光通信的實(shí)驗(yàn)中，這一類型完全可以被DPSK與PPM同時(shí)進(jìn)行操控。這一實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜃C明，DPSK系統(tǒng)在告訴與激光通信和PPM系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合，其主要的技術(shù)核心，就是中低碼率深孔激光通信技術(shù)。3、星間、星地相干激光通信早在2008年，利用BPSK進(jìn)行調(diào)節(jié)的機(jī)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(shí)驗(yàn)。其鏈路的距離在3800到4900之間，通信的速度也達(dá)到了5.625Gbit/s。2009年6月17日我2010年3月10日時(shí)，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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)的證明。這一實(shí)驗(yàn)成功，對星間以及星地告訴相干通信可以使用的實(shí)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(shí)驗(yàn)進(jìn)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(wù)的基礎(chǔ)，為無人機(jī)以及地面站提供用戶數(shù)據(jù)的服務(wù)，EDRS是能夠?yàn)镋DRS-A和EDRS-B兩套通信衛(wèi)星的負(fù)載提供同時(shí)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(shí)現(xiàn)星間高速激光通信的連接，連接所跨越最遠(yuǎn)的距離能夠達(dá)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(cuò)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(shù)發(fā)展趨勢
在近些年，我國對于航天技術(shù)大力發(fā)展，很多企業(yè)對于高速的激光通信技術(shù)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(shí)驗(yàn)實(shí)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(shè)計(jì)成果作為了整個(gè)實(shí)驗(yàn)的理論基礎(chǔ)，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(jìn)行發(fā)現(xiàn)和研究。背景的遙測技術(shù)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(gè)理論作為試驗(yàn)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(zhǔn)度可以精確到毫米。但是我國的國內(nèi)技術(shù)和國外相比，還有較大的差距。一些國外相對發(fā)達(dá)的國家，其技術(shù)已經(jīng)成功的將激光測控通信站的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了實(shí)施，并且也對其更進(jìn)一步的完善，成功的向工程的應(yīng)用方面進(jìn)行了拓展。國外的激光側(cè)孔通信技術(shù)發(fā)展的方向及經(jīng)驗(yàn)，是可以讓我們借鑒和學(xué)習(xí)的。值得我們借鑒的地方有：
（一）激光測控以及通信技術(shù)已經(jīng)逐漸發(fā)展為整體化
激光通信技術(shù)為了能夠達(dá)到高精度測控以及高速通信這兩個(gè)目的，就需要應(yīng)用同一套物理設(shè)備來完成。這一項(xiàng)技術(shù)無論是在導(dǎo)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(shè)計(jì)與研究已經(jīng)將測量和通信的共同進(jìn)行了同步應(yīng)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(jìn)行連接的時(shí)候，因?yàn)閷ぷ黝l率的要求比較高，波束小，在空間的傳輸上要將損失進(jìn)行降低，所以小口徑的天線更適合發(fā)射功率的要求。因?yàn)轶w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(yīng)用更為適合。當(dāng)前微納光電子器件與集成光學(xué)技術(shù)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(luò)開始空天一體化
很多發(fā)達(dá)國家在激光終極系統(tǒng)部署的時(shí)候，都會考慮建立激光導(dǎo)航和通信。在天基激光通信系統(tǒng)完成后，會將各個(gè)國家的衛(wèi)星與空間站等進(jìn)行相互的鏈接和對接，形成空天地合一的激光網(wǎng)絡(luò)通信。全球的第一個(gè)激光重疾衛(wèi)星系統(tǒng)DERS也是近些年才開始投入應(yīng)用的。
三、結(jié)束語
我國航天任務(wù)對于測控系統(tǒng)的應(yīng)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(yīng)用的方面越來越多，激光測控的通信技術(shù)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(xiàn)：
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作者:陳凱 單位:國網(wǎng)福州供電公司
