空间卫星光通信链路关键技术与方案的研究

【摘要】 光通信是解决低轨卫星与定点卫星间高码率通信瓶颈的最佳途径，其中高频调制时的速率和大功率光源技术是技术中的关键。本文分析了空间卫星光通信链路的关键技术，探讨了空间卫星光通信链路关键技术解决方案，目的在于为空间卫星光通信链路关键技术的实现提供参考，确保空间卫星间的光通信质量。

【关键词】 空间卫星 光通信链路技术 技术方案

空间卫星光通信链路主要包含LEO-LEO、LEO-MEO，LEO-GEO以及GEO-LEO。在空间卫星光通信链路中，LEO将获取到的遥感数据，通过GEO中继站转到相应的地面空间站，这是星间通信和星地通信。卫星遥感图像分辨率的提高对卫星数据的传输速度有很高的要求，现有的卫星数据传输速率不已能满足信息通过空间卫星链路进行大容量交换的工作。

空间卫星光通信能够有效突破低轨卫星与定点卫星间高码率通信，但高频调制速率和大功率光源技术是目前空间卫星光通信链路中的关键点和难点，为有效实现空间卫星间的光通信，应当提高光源的发射功率和调制码速率，并采用灵敏度相对高的接收机。

本文分析探讨了空间卫星光通信链路的关键技术，在现有技术的支持下选择了可行性方案。

一、空间卫星光通信链路关键技术

捕捉、对准与跟踪系统、通信系统以及辅助系统组成了空间卫星光通信的整个终端。由于信号光束发散时角度很小，大约10-20μrad，在建立空间卫星通信链路过程中，对准与跟踪技术是空间卫星光通信链路的关键技术，对准与跟踪技术的精准度直接影响光通信系统的通信质量。

空间卫星间通行特点主要表现为距离长、码速率高以及误码率低，空间卫星光通信对光通信光源的功率要求也因此而更高，加上对准与跟踪精度和系统对体积、质量和功率的限制，信号光的波速太小无法满足通信需要，同时接收天线的限制和光源功率需求的增加也是空间卫星通信链路的关键技术。

LEO-GEO的通信距离为45000km，通信码速率为1Gb/s，通信误码率为10-7，考虑到卫星的质量和体积的限制，应当选择孔径为250mm的天线来实现卫星间的通信。当发射天线效率、接收天线效率、对准与跟踪指向偏差、链路储备以及接收机灵敏度分别为-3dB、-7 dB、-2dB、1dB和-40dBm时，根据以上公式可以得出，当发射光束发散角为10μrad时，光源发射功率应当达到5.9W；当发射光束发散角为20μrad时，光源发射功率应达到23μrad。

二、空间卫星光通信链路尖技术的解决方案

卫星间光通信的波长通常在800nm、1060nm和1550nm三个波段中选择，在质量、体积和功耗限制下，卫星间通信的激光光源大多数选择的半导体激光器是800nm和1060nm波段的。目前，对于1550nm波段，随着光放大器技术越来越成熟，光功率的放大技术也更为成熟。

由于目前相应的800nm波段的卫星光通信波放大器达不到理想的效果，所以需要用更大功率的激光器进行直接和间接综合调制。然而，激光器功率的增大，对调制带宽和深度要求也越来越高，同时也对调制电压提出了更高要求。800nm波段的激光器在单纵模和单横模方面比1550nm波段的激光器都要差，不宜采用直接的调制方法。

对此，对于800nm波段的调制最好采用间接调制的方式。从通信系统整体来看，一味的想要提高发射端的功率是不现实的，为更好的实现空间卫星光通信，可以提高接收机的灵敏度，将灵敏度改善3dB，或者将光源发射功率降低3dB。但是设计和制造高灵敏度的接收机有很大的工作难度，受目前技术的限制，提高接收机的灵敏度是一项艰难的但又不得不解决的关键技术。

三、空间卫星光通信链路技术解决方案的对比

从空间卫星光通信链路关键技术来看，以下两种方案可以采用：第一，在1550nm波段，可以直接耦合低功率分布反馈式激光器与光纤功率放大器得到码速率高的发射光源，在接收端加入前置掺铒光纤放大器来提高接收机的灵敏度。第二，是针对于800nm波段的，调制时利用大功率的激光器进行，同时同样用波分复用技术降低单路通信码速率，这样可以提高接收机的灵敏度。

从激光器性能上看，1550nm波段的分布反馈式激光器可以进行良好的单纵模激光输出性，且系数相对较小。如果选择单模尾纤的输出方式，有利于光束的微弧度量级的准直。多纵模输出是针对800nm波段的大功率激光器，输出系数大，使得光束的准直变得困难。从背景光的影响上来看，来自太阳光、地面反射光以及其他星光的背景光对800nm波段的干扰相对比较大。

同等条件下，进入探测器时800nm波段的噪声比较大；从接收机的灵敏度来看，虽然800nm波段的探测器性能优于长波的探测器性能，但是1550nm波段采用的前置掺铒光纤放大器，使得接收机的性能大大优于短波时的性能。此外，800nm波段为了降低单路通信码速率，必须采用复用技术。通过比较分析1550nm波段和800nm波段这两种解决方案的优缺点，得出1550nm波段的方案更适合空间卫星光通信链路之间的高码速率通信。