Feasibility assessment of optical technologies for reliable high capacity feeder links

Space telecom scenarios like data relay satellite and broadband/broadcast service providers require reliable feeder links with high bandwidth/data rate for the communication between ground station and satellite. Free space optical communication (FSOC) is an attractive alternative to microwave links, improving performance by offering abundant bandwidth at small apertures of the optical terminals. At the same time Near-Earth communication by FSOC avoids interference with other services and is free of regulatory issues. The drawback however is the impairment by the laser propagation through the atmosphere at optical wavelengths. Also to be considered are questions of eye safety for ground personnel and aviation. In this paper we assess the user requirements for typical space telecom scenarios and compare these requirements with solutions using optical data links through the atmosphere. We suggest a site diversity scheme with a number of ground stations and a switching scheme using two optical terminals on-board the satellite. Considering the technology trade-offs between four different optical wavelengths we recommend the future use of 1.5 µm laser technology and calculate a link budget for an atmospheric condition of light haze on the optical path. By comparing link budgets we show an outlook to the future potential use of 10 µm laser technology.     

我国天基综合信息网构想

阐述了天基综合信息网的定义、组成和特征;介绍了美国和欧洲天基综合信息网的研究情况;提出了我国天基综合信息网的体系架构,其中包含通信卫星、导航卫星、遥感卫星、载人飞船等航天器和临近空间各种飞行器,以及地面系统。分析了该网络的特点和可用的网络协议结构;探讨了该网络的组网结构、网络协议、服务质量(QoS)路由、网络管理、网络安全防护、激光通信和星载处理交换等多项关键技术。依据国情,提出了我国天基综合信息网构想。此构想采用双层(地球静止轨道和低地球轨道)通信卫星星座和导航卫星星座,实现全球全时覆盖空间层航天器、临近空间层飞行器和地面层各种用户终端,通过星间链路、星地链路和地面线路组成一个空天地一体化的全球信息网络。在国外不设地球站的情况下,该网络可实现:国内测控站测控我国全球运行的卫星;国内遥感站实时接收我国全球遥感卫星发送的信息;国内关口站管理我国授权的全球用户站之间的互通信息。最后,提出了开展我国天基综合信息网的可行性研究建议。     

Iteration-based identification of faulty links in LEO/MEO satellite communication networks

Satellite systems are going to be an important part of the future personal communication infrastructure. The first-generation candidates for satellite personal communication networks (S-PCN) will rely on low earth orbiting (LEO) and medium earth orbiting (MEO) constellations. For LEO satellite systems employing intersatellite links (ISLs), we present a iteration-based algorithm to identify faulty links, which applies to a satellite network assuming a connection-oriented network structure, e.g., ATM or ATM-type switches on-board satellites. In the algorithm a management satellite can autonomously and real-time identify a ranked list of the most probable failed network links through building discrete-time dynamic virtual topology graph (DT-DVTG), then testing can be used to quickly pinpoint the actual faulty links. The performance of the algorithm is evaluated through simulations.     

高速飞行器非视距短波通信的可行性验证飞行试验

当高速飞行器处于失稳失控等紧急情况时，现有航天器测控方法可能面临地面站天线无法及时跟踪和对准飞行器的问题，这将导致测控通信链路的中断，无法传输紧急的安控遥控指令。为了在飞行器失稳失控、非视距通信时与地面站维持通信，提出将短波通信应用于高速飞行器测控通信系统的应急通信，并进行非视距短波通信的飞行试验以验证方法的可行性。在试验中，地面站发射7 MHz的短波信号，高速飞行器内部安装的交流磁场计用于接收短波信号，获得了短波的磁场强度与飞行环境的本底噪声。试验结果表明，随着飞行器海拔的增加，磁场强度减小，高速飞行器始终能在非视距和天线不对准的情况下接收到短波信号，证实了短波应用于高速飞行器应急通信的可行性。试验是进一步验证高速飞行器在远距离、超视距以及拒止环境下应急通信的技术基础，同时，也为高速飞行器短波通信系统的研制提供重要的数据支撑。     

面向微纳卫星应用的激光数传技术

针对遥感微纳卫星对地高速数传需求,开展面向微纳卫星的激光数传技术研究,突破微纳卫星激光通信终端星地快速捕获建链和协同高精度稳定跟踪、天基终端轻小型化、复合光电组件等关键技术。完成微纳卫星的天基激光终端和地面激光终端研制,并开展星地传输试验验证,实现 1 230 km、10/50/100 Mbps 的星地数据传输,验证了相关技术,为后续我国微纳卫星对地遥感应用提供了理想的星地数传手段。     

中低轨道卫星星座间的激光链路

阐述在中低轨道卫星星座全球通讯网络中应用的激光星间链路与在中继星间应用的激光星间链路相比，所具有的明显的优势。同时给出了应用于小卫星上的小光学用户终端的基本组成，并指出了当前在中低轨道卫星星座激光星间链路研究中所应当进行的主要研究方面。     

链路状态感知的低轨卫星网络路由机制

低轨卫星的空间组网能够突破地形限制,实现全天候、高带宽、低时延、广覆盖的数据通信,弥补地面通信系统的不足,使通信服务全球化成为可能。但是,卫星节点的快速移动和能量受限使得空间链路面临高动态、不可靠、间歇性等问题。同时接入用户的分布不均容易导致卫星网络出现重载节点和局部拥塞的情况,这对空间组网和数据传输提出了新的挑战。传统的静态卫星组网模式可靠性差,可伸缩性低,难以适应空间动态组网的需求。针对低轨卫星网络拓扑变化快的特点,提出链路状态感知的路由机制,在降低卫星能耗的同时减轻网络的局部拥塞,使用树莓派搭建半实物仿真平台,并在该平台上进行实验,验证了该机制的有效性。     

基于2×2 MIMO的星地双圆极化通信系统验证

卫星通信因通信距离远、覆盖面积大、机动灵活等优势,广泛应用在抗震救灾、广播电视与移动通信中。然而,卫星通信因长距离通信和环境对信号的阻塞等问题,导致通信质量下降。为提高卫星通信质量,可以增加地面站发射功率或者采用分集技术。由于电磁波具备极化特性,左旋圆极化电磁波与右旋圆极化电磁波相互正交,利用其正交特性可实现长距离通信中传输路径相互独立,可以应用于星地MIMO通信中。主要研究双圆极化分集2×2 MIMO相关内容,对开阔环境和城市环境的信道参数进行研究,建立了窄带卫星双圆极化卫星2×2 MIMO信道模型,设计了一套具备在地面模拟双圆极化卫星和个人移动终端收发系统,并在该系统上验证双圆极化分集2×2 MIMO,相比于SISO获得的信噪比改善。     

The Quantum Science Experiment Satellite,An Experimental Facility in Space for Testing of Quantum Information Theory

The Quantum Science Experiment Satellite(QUSES) is the first satellite deployed successfully in nearEarth space for quantum scientific experiments in the world, in which experimental study on the fundamental questions of quantum mechanics can be done under the condition of a spatial scale about 500-2000 km. QUSES is performing a Quantum Key Distribution(QKD) experiment from satellite to ground station for testing of the global quantum secure communication network, and performing a Quantum Entanglement Distribution(QED) and Quantum Teleportation(QT) experiments with the purpose of testing the completeness of quantum mechanics theory at a sufficient spatial scale. The payload of QUSES is com posed of a Quantum Key Transceiver(QKT), a Quantum Entanglement Transmitter(QET), a Quantum Entangled-photon Source(QES), a Quantum Experiment Control Processor(QCP) and a Coherent laser Communication Terminator(CCT). This paper introduces the technical scheme of QUSES, including the requirement analysis, composi tion, technical innovation, on-orbit status and prospect of development for the future.     

单站多普勒跟踪定轨的优化算法

由于低轨道小卫星应用的日益广泛，在轨卫星数目的迅速膨胀，对传统的多个地面站相互协调管理卫星领域模式提出了挑战。小卫星的低成本特性必然要求存在与之相应的地面站设施降低复杂性、降低成本。本文针对当前已提出的单站多普勒定轨方案，进一步研究了多普勒定轨的有关方法，提出和建立了多普勒定轨的优化算法与模型，最后进行了仿真分析与模型的有效性验证。     

基于低轨卫星增强的非差高精度导航定位技术与在轨试验验证

随着自动驾驶、精密农业等领域的发展,各领域对高精度导航定位的需求不断增加。在地基增强技术、高轨星基增强技术和传统非差精密单点定位技术的基础上,提出了一种基于低轨卫星增强的非差高精度导航定位技术,研制了基于低轨导航增强技术的低轨导航增强载荷,开发了基于低轨卫星增强的地面自适应卡尔曼滤波非差高精度定位软件,并进行了全球首次基于低轨卫星的信号信息一体化导航增强在轨试验。试验表明:经低轨卫星增强后,地面终端用户定位精度优于30 cm。最后,给出了该技术的后续研究方向,为未来低轨导航增强系统与其他增强系统协同工作,实现广泛应用奠定了基础。     

基于移动式网络的LEO卫星星座通信网络研究

为飞机等交通工具内的用户提供基于卫星的不间断IP连接，并在卫星星座网络内实现IP路由选择功能，是未来LEO卫星星座通信网络需要解决的关键问题。提出了基于移动式网络技术的LEO卫星星座通信网络体系结构，实现了卫星星座通信网络中的IP路由选择功能，并降低了对地面网路的依赖，实现了对用户段网络随时随地的连接支持。在对卫星星座通信网络中的星地切换模式进行分析的基础上，提出了一种基于虚拟移动路由器的快速星地切换和认证方法。通过NS2仿真试验，给出了新型LEO卫星星座通信网络的传输延迟特性以及快速切换方法的仿真试验结果。仿真试验表明，提出的网络结构是满足未来卫星星座发展需求的，星地间的切换是低时延的。     

面向卫星通信系统的低成本超表面相控阵技术

低轨通信卫星系统因其传输延迟小、通信容量大、发射运营成本低等优势,受到了国内外的广泛关注。然而,低轨通信卫星技术的发展对星载天线系统提出了挑战。为提高卫星星座的通信容量以及实现对用户的跟踪覆盖,波束扫描、波束可重构及多波束覆盖不可或缺。在低成本建设运营的背景下,迫切地需要一种低成本的天线系统方案。作为一种低成本新型相控阵技术,综述了超表面相控阵天线技术及其在波束调控中的应用。首先对超表面天线波束形成的方法进行了简单的研究,之后介绍了超表面电磁调控的机理以及实现可重构的手段,最后介绍了超表面相控阵天线在波束形成、波束扫描、多波束产生中的应用。该技术相较于传统相控阵技术,大幅降低了成本,且在电磁波极化、频率调控中展现出巨大的灵活性。通过对该技术的综述,展望了超表面相控阵在低轨通信卫星中的应用。     

Orbital data gathering system: Comparative analysis between microwave and optical solutions

This paper describes the Pointing, Acquisition and Tracking (PAT) systems for both microwave and optical links for high data rate transmission between Low Earth Orbit (LEO) satellite and Geostationary Earth Orbit (GEO) relay satellite. It points out the advantages, drawbacks and critical technologies of each tracking and acquisition systems.     

微纳卫星发展现状及在光学成像侦察中的应用

对当前微纳卫星在空间环境感知、新技术空间演示验证、空间科学试验、通信与数据传输、对地或对空间目标进行光学成像观测等方面的主要应用形态进行了归纳总结,分析了采用微纳卫星实施光学成像侦察的优势,给出了应用实例,并提出在航天侦察应用中大力发展光学成像侦察微纳卫星的相关建议。从而为后续微纳卫星在航天光电侦察中的广泛应用提供了参考。     

中国空间站光学遥感载荷的发展研究

光学遥感载荷的空间站平台相比卫星平台具有很大的优势,吸引了包括俄罗斯、美国和欧空局在内的国际空间站成员国争相进行空间站光学遥感载荷的新技术实验验证和对地观测研究。文章介绍了国际空间站光学遥感载荷的观测方式和特点,结合国际空间站光学遥感载荷的应用情况,从新技术实验验证和对地观测两个方面分析了中国空间站光学遥感载荷发展应该注意的问题,为中国空间站光学遥感载荷的发展提出了几点建议。     

地球同步轨道星地量子信道特性研究

为了研究地球同步轨道量子密钥分发过程中星地量子信道特性，项目团队研制了搭载于实践二十卫星的极弱光偏振态分发设备，开展了地球同步轨道卫星与地面间光子偏振态的传输实验。实验时，星载偏振光分发设备根据遥控指令以50MHz频率驱动四个激光器出光，分发|0〉、|π/2〉、|π/4〉和|3π/4〉四种偏振态光子，经过长距离的空间传输后由地面站望远镜接收，最后由超导探测器探测。研究结果表明，地球同步轨道卫星到地面站的光学链路衰减约为100~110 dB，通道误码率约为2%~8%，满足量子密钥分发误码率的安全性要求。     

天基信息传输分发体系中新频段及新体制梳理

文章介绍了激光通信、太赫兹通信和量子通信等新的通信频段及通信体制在天基信息传输分发体系中的应用前景。激光通信链路可用于构建未来空间骨干网,附加在激光链路上的量子光通信链路可以极大提升链路保密性能,太赫兹通信链路可能在未来卫星星座及伴随飞行集群内部高速数据交换场合提供大带宽及灵活组网的通信能力。各种新形式的链路技术结合起来,可以为天基信息传输分发系统提供支撑。     

基于J_2项摄动的星地链路时间窗口快速算法

星地链路时间窗口计算是卫星系统任务调度必须解决的重要问题之一。分析J2项摄动的LEO卫星和地面站的空间位置关系,提出一种通过偏近点角的超越方程计算时间窗口的新方法,采用以大圆近似星下点轨迹的方法求解此方程。仿真表明,时间窗口起始时刻误差小于1s,时间窗口长度误差小于1.2s,计算时间减少了99.7%。算法在保证精度的同时大幅度降低时间窗口的计算量,为卫星系统任务调度提供有效支持。     

A global geographical survey of received signal strength in the VHF band

Sumbandila (SO-67) is an 81 kg LEO satellite launched on 17 September 2009. Its primary payload is a multi-spectral imager with a ground sampling distance of 6.25 m at an orbit altitude of 500 km. Its two command transceivers operate in the commercial and amateur radio VHF and UHF bands and one of them provides a VHF to UHF repeater service to radio amateurs. This paper presents initial results of a global three week monitoring period of two VHF frequency ranges. The data is obtained by executing on-board flight control procedures to select the frequencies to measure. The existing on-board telemetry gathering system is employed to record the data, most notably the received signal strength for the selected frequency. The data is downloaded using an adaptation of the imagery data download path. We determine regions of high signal levels by distributing individual measurements over cells in the satellite footprint before averaging over the cells. The data is then plotted on a geographical signal strength heatmap. We compare our results with that of a similar study of the late 1990s and point out changes since then. The data provides useful information for selecting future ground station locations for minimum interference. It further gives an indication of frequencies to use for command and telemetry communication at existing ground stations. We propose that including a receiver capable of measuring frequency interference across a desired frequency range is very useful to future missions for selecting communication frequencies from this range for ground station locations.