空间激光通信组网光端机技术研究

随着高分辨率观测技术的发展和高数据率信息传输的迫切需求,研究高速率激光通信的全光网络迫在眉睫。文章介绍了空间激光通信技术的优点及发展趋势,提出了可用于激光通信组网的几种光端机光学原理及系统方案,分析了多反射镜拼接形式光端机的APT控制模型,为空间激光通信链路组网提供了新的技术途径。     

下一代空间激光骨干网络全光处理技术

构建以高速激光链路为传输主体的空间激光骨干网络，是保障空间数据高速传输、提升信息共享率与时效性、实现信息服务网络全球覆盖的重要技术手段。空间数据容量的快速增加要求网络节点处数据处理带宽与之相适应且具备一定扩展性和兼容性。由于空间激光骨干网络节点较少、数据快速传输的特点，围绕我国下一代空间激光骨干网络节点处高带宽、低延迟的数据处理需求，基于交叉相位调制XPM和四波混频FWM两种光学三阶非线性效应分析并讨论了骨干节点处高速激光链路的交换/组播、制式转换及中继/再生全光数据处理技术，为我国下一代空间信息网络建设及高速激光链路的全面应用提供支撑。     

深度学习技术在空间激光通信中的应用

与射频通信相比，空间激光通信具有传输速率高、保密性能强、终端功耗低等优点，目前已成为当前通信领域的一个研究热点。同时，空间激光通信也面临着一些严峻的技术挑战，如大气湍流导致空间激光通信的信道情况十分复杂，复杂的信道会引发信号光强度起伏剧烈，信标光跟踪与瞄准困难，接收端的信号光场波前畸变严重等。为了提升空间激光通信在复杂信道环境中的性能，学者们将深度学习技术引入到空间激光通信系统中。多项研究表明，深度学习在空间激光通信的诸多方面表现出了优越的信息处理能力。对近年来深度学习技术在空间激光通信信号处理与检测，信标光捕获与跟踪以及波前畸变探测与校正等方面的应用做一全面梳理，并对用于空间激光通信的深度学习技术的前景进行展望。     

基于模式分集的星地激光通信技术研究

针对星地激光通信的大气湍流导致信号光损伤这一问题，实验搭建了一种能够补偿大气湍流的空间激光通信系统，采用模式分集接收结合最大比合并方法对大气湍流进行补偿，采用相干探测技术对高阶调制信号进行光电探测。在不同湍流强度下进行了传输实验，结果表明：模式分集空间激光通信系统的性能相比较于单模光纤接收系统有较大提升，随着湍流强度的增加，性能提升更加显著。在弱、中、强三种湍流强度以及相同目标误码率情况下，模式分集系统相比单模光纤接收系统分别降低了约4.2 dB、5.1 dB 和 5.5 dB的链路损耗。在弱、中、强三种湍流强度以及相同目标中断概率下，模式分集接收系统相比单模光纤接收系统分别降低了约3 dB、5.9 dB 和 4.3 dB的链路损耗。     

一种多调制方式空空通信机的设计与实现

空空通信机安装在两个航天器上，建立双向通信链路，以完成两器之间的信息交换。文章首先简单阐述了空空通信机的工作原理和幅度不平衡度、相位指标要求等。然后，针对需要实现正交相移键控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）调制和二相相移键控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）调制兼容的需求，进行了QPSK调制电路实现BPSK调制的理论推导；依据理论推导，分别提出QPSK调制原理、BPSK调制原理和调制实现框图。为保证相位变化的连续性，对调制数据采用格雷编码，并给出编码后QPSK调制和BPSK调制的设计星座图。最后，由现场可编程门阵列（Field programmable Gate Array，FPGA）实现两路调制数据编码，微带电路实现90°移相器及功率合成器；采用直接射频调制的方案实现产品。对实现的产品幅度不平衡度、相位不平衡度指标进行测试，测试结果表明，该设计可以满足空空通信机实际应用需求。该产品已成功应用于某卫星型号，设计方法对后续其他型号的空空通信机或发射机的设计有一定参考价值。     

卫星遥感多路数据传输合路方案研究

在遥感卫星的数传系统中,采用虚拟信道方式对多路遥感数据进行数传合路,形成标准帧格式信息流以适合空间物理信道传输。针对缓存容量受限的条件,提出了两种数传合路方案:第一种方案是将全部虚拟信道同时数传合路到I帧和Q帧;第二种方案是将其中一半虚拟信道数传合路到I帧,将另外一半虚拟信道数传合路到Q帧。采用仿真技术对两种数传合路方案的缓存容量需求进行了动态分析,结果表明:采用第二种方案时缓存容量需求更低,只须采用地址空间深度为8K的缓存器即可满足数传合路处理需求。第二种数传合路方案已应用到某卫星工程项目的数传系统产品中,通过了地面测试、试验以及在轨飞行验证。文章提出的技术途径可为后续航天器更多种类遥感数据的数传合路设计提供参考。     

空间激光通信调制技术的研究进展

空间激光通信系统具有传输速率高、体积小、质量轻、功耗低等特点，适用于卫星高速数据传输。激光通信调制技术作为空间激光通信系统的一项关键技术，是影响系统通信性能的主要因素之一。首先，介绍空间激光通信调制技术的原理及其分类，并对其优缺点做比较分析，再对激光调制的关键技术进行阐述；然后，从发展阶段与应用环境角度对国内外已报道的空间激光通信调制技术研究进展进行总结；最后，对空间激光通信调制技术的发展趋势进行展望。     

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。     

空间激光/量子通信技术研究进展与发展探索

空间激光通信是实现高速天地一体化信息网络的主要技术途径,量子通信是确保高保密数据传输最可靠的方式。概述激光、量子通信的国内外发展现状,分析空间激光、量子通信技术的发展趋势和集成化应用,归纳其面向工程应用亟待突破的关键技术,以期对构建我国天地一体化激光、量子通信网络有所帮助。     

基于码元同步环路的激光测距通信一体化算法优化研究

精密测距与高速通信一体化技术已发展成为星间激光链路的主要研究方向之一。为了探究基于空间激光通信系统的通信解调算法对测距性能的影响机理，根据现有的激光通信系统架构，分析了测距通信一体化系统的工作原理，搭建了基于码元同步的激光测距通信一体化系统模型，分析了基于Gardner同步环路信号跟踪系统的测距精度，并对鉴相算法进行了优化。理论和仿真证明，优化后的码元同步环能够同时实现码元同步判决和距离解算，并得到了4 dB的噪声容忍度提升，其测距方差主要与基带成型滤波参数、环路带宽、载噪比以及鉴相增益等因素有关。该算法简洁，不受载波相位影响，对高阶调制具有良好的兼容性，适用于空间激光链路系统，丰富了测距通信一体化理论，为后续一体化系统设计提供了仿真依据。     

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.     

真空热试验网络架构的改进

文章针对现有真空热试验网络存在的数据链路可靠性低、发生故障时主/备数据链路切换时间长的问题,提出了一种网络架构的改进方法,即网络核心层采用虚拟交换系统（virtual switching system,VSS）架构,利用以太网通道（multi-ethernet chanel,MEC）方式与汇聚层堆叠设备互联,汇聚层设备到接入层设备利用链路聚合控制协议（link aggregation control protocol,LACP）作链路绑定,实现关键设备和数据链路的冗余,网络单节点或单链路的主/备设备数据链路切换无时延。该架构已在真空热试验网进行了验证,运行效果良好,达到预期效果。     

脉冲展宽对深空激光通信的影响与补偿研究

深空激光通信系统下行链路的脉冲位置调制PPM（Pulse Position Modulation）信号在经过大气信道传输和单光子探测器接收时,将出现脉冲展宽效应,引起通信系统性能下降。分析了大气信道中的淡积云云层散射、大气湍流与气溶胶散射和单光子探测器的抖动特性所引起的脉冲展宽效应。在此基础上,仿真分析了淡积云云层物理厚度对不同PPM调制阶数下通信速率的影响,并研究了单光子探测器引起的脉冲展宽产生的抖动损失。为补偿脉冲展宽的影响,提出了一种基于时隙似然比解调的补偿方法,通过仿真验证了该方法能够有效降低深空PPM激光通信链路中脉冲展宽对通信误码率的影响。该研究对分析和提升深空PPM激光通信系统的链路性能具有一定的参考意义。     

星载光纤陀螺的最优调制深度

为了选取合适的调制深度以提高星载光纤陀螺在空间辐射环境下的工作性能,通过对闭环光纤陀螺输出信号的信噪比分析建立了光纤陀螺随机游走系数与调制深度的关系的模型。根据该模型对光纤辐射致衰减、光纤长度、光源光功率对最优调制深度的影响进行了仿真研究。结果表明：光纤辐射致衰减越小、光源光功率越大,则光纤陀螺的最优调制深度越大,且相应的随机游走系数越小。增加光纤长度将降低光纤陀螺的最优调制深度,当光纤衰减较大且光纤较长时,过调制技术可能会使光纤陀螺性能恶化。因此,在星载光纤陀螺的设计过程中应根据实际情况对调制深度进行优化,以保证陀螺获得最优的工作性能。理论分析和仿真结果为星载光纤陀螺最优调制深度的选取提供了依据。     

星载高速SerDes电路的设计与实现

针对目前我国空间探测任务中海量数据传输的迫切需求,提出了一种星载高速数据传输技术的解决方案。论述了方案的总体设计结构和关键模块的实现,制定了一种可靠易实现的链路传输协议,并给出了收发方向上的后仿真波形。系统联试验证了4通道点对点之间的SerDes接口数据传输速率达到了2.4Gbps,并且具有很好的带宽扩展和抗干扰性能。在星上有效载荷数据传输系统中具有广阔的应用前景。     

基于轨道角动量的星间激光通信技术

介绍了将轨道角动量（orbital-angular-momentum, OAM)）作为新复用维度的星间激光通信系统设计。轨道角动量理论上具有无限种模态且各模态间两两相互正交,这意味着基于OAM复用的通信系统可大幅度提高频谱效率和信道容量。分别对星间激光链路的发射机和接收机的实现架构进行了介绍,发端采用无衍射贝塞尔-高斯光束进行编码、调制和OAM多路复用;收端利用具有与发端相反的螺旋相位移除OAM光束的方位角相位以恢复光束的平面相位波前,并通过光电探测器、解调器和译码器来恢复数据。此外,还分析了多普勒频率、卫星摆动和背景噪声等因素对于系统的影响。提出的基于OAM技术的星间激光收发系统设计方案对于未来大容量星间通信系统设计与实现具有重要意义。     

天地信息网络协议融合技术综述

天地信息网络融合可以实现空间与地面网络资源的充分共享和高效利用，国内外已提出多种天地一体化信息网络架构并从不同角度进行理论研究和关键技术攻关。面向CCSDS数据系统体制与空间通信协议规范（SCPS），在分析CCSDS协议体系结构及其应用发展基础上，讨论卫星链路应用TCP/IP的问题与关键机制，并综述星地一体化协议IPoC（IP over CCSDS）的技术研发与仿真研究进展。通过分析空间CCSDS协议体系与地面IP网络机制，为天地信息网络融合系统设计与网络协议研究提供参考。