王荊寧 郎磊 楊乾遠(yuǎn) 薛松海 何占林

【摘? 要】針對(duì)高軌衛(wèi)星對(duì)地激光鏈路受大氣層影響較大，難以全天候工作的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種利用平流層飛艇平臺(tái)對(duì)激光鏈路進(jìn)行中繼的通信系統(tǒng)，將激光終端升空到平流層降低大氣層影響，采用高速微波實(shí)現(xiàn)飛艇平臺(tái)到地面的信息中繼，可以實(shí)現(xiàn)5 Gbit·s-1以上的可靠信息傳輸。對(duì)激光載荷安裝、微波鏈路預(yù)算以及天線對(duì)準(zhǔn)等進(jìn)行了分析，總結(jié)了隨機(jī)運(yùn)動(dòng)特性平臺(tái)高精度指向和快速捕獲、大幅度低頻擾動(dòng)特性下高精度穩(wěn)定、大容量微波高速自適應(yīng)均衡等關(guān)鍵技術(shù)，可以滿足高速中繼的需求。

【關(guān)鍵詞】星地中繼通信;平流層平臺(tái);空間激光通信;微波通信;雨衰分析

中圖分類號(hào)：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-1010（2019）05-0060-05

1? ?引言

空間激光通信由于傳輸容量大，是未來(lái)星地通信和星間通信的重要手段，通過(guò)星間、星地激光通信鏈路與地面光纖骨干網(wǎng)連接，形成天地一體化的激光寬帶信息網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)5 Gbit·s-1以上的高速信息傳輸。

高軌衛(wèi)星的激光直接落地受到大氣層中雨、霧、云層和大氣湍流等的影響，星地激光鏈路無(wú)法全天侯工作。如果地面終端升空到20 km的平流層，就不存在雨、霧和云層的影響，大氣湍流和大氣衰減的影響將減少超過(guò)90%。因此在平流層對(duì)星地激光進(jìn)行微波中繼是星地激光通信實(shí)用化很好的途徑，是天空地一體化的重要組成部分。

美國(guó)霍普金斯大學(xué)開(kāi)展的SPARCL（Space Relay Communications Link，空間中繼通信鏈路）計(jì)劃提出了星地中繼的思路，如圖1所示，計(jì)劃采用高空氣球通過(guò)空間激光通信系統(tǒng)中繼接收LEO、GEO下傳的高速數(shù)據(jù)流，然后通過(guò)系留光纖下傳到地面站，進(jìn)而有效避開(kāi)云層、大氣衰減、大氣吸收、大氣湍流等負(fù)面影響，形成衛(wèi)星-臨近空間-地面全光下行傳輸鏈路，但該計(jì)劃未見(jiàn)實(shí)際實(shí)施的報(bào)道。

2006年法國(guó)LOLA試驗(yàn)開(kāi)展了40 000 km下50 Gbit·s-1通信速率的星-空激光通信試驗(yàn)。國(guó)內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)實(shí)現(xiàn)了1 650 km下的504 Mbit·s-1的星-地激光通信試驗(yàn)，中科院上海光機(jī)所搭載于“墨子號(hào)”的載荷實(shí)現(xiàn)了1 600 km下的5 Gbit·s-1的星-地激光通信試驗(yàn)，僅有長(zhǎng)春理工大學(xué)2013年開(kāi)展了144 km下2.5Gbit·s-1的空-空激光通信試驗(yàn)，尚沒(méi)有開(kāi)展過(guò)星-空的激光通信試驗(yàn)以及高軌對(duì)地的激光通信試驗(yàn)[1-4]。

2? ?系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1? 系統(tǒng)組成

浮空平臺(tái)節(jié)點(diǎn)包含激光通信載荷、微波通信載荷、平流層飛艇等[5-6]。

激光通信載荷主要實(shí)現(xiàn)對(duì)天基骨干節(jié)點(diǎn)激光通信載荷初始指向，鏈路捕獲跟蹤，建立激光通信鏈路，進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向高速傳輸。激光通信載荷主要由光機(jī)單元、通信處理單元、管控單元、組合慣導(dǎo)單元，微波載荷主要包括基帶處理單元、射頻單元、天線伺服單元、組合慣導(dǎo)單元。

由于激光載荷和微波載荷對(duì)位置和姿態(tài)的要求很高，而兩個(gè)載荷分別安裝在平臺(tái)的頂部和底部，因此需要單獨(dú)安裝組合慣導(dǎo)單元測(cè)量位置和穩(wěn)定姿態(tài)。

2.2? 傳輸體制

用于空間激光通信的通信體制主要有相干通信體制和IM/DD（Intensity Modulation/Direct Detection，強(qiáng)度調(diào)制/直接探測(cè)）的通信體制。星地中繼通信系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)40 000 km下5 Gbit·s-1～20 Gbit·s-1的高速信息傳輸，相干體制接收靈敏度比IM/DD體制接收靈敏度高約10 dB～20 dB，并且易于實(shí)現(xiàn)PSK（Phase Shift Keying，移相鍵控）、QAM（Quadrature Amplitude Modulation，正交振幅調(diào)制）等高階調(diào)制，實(shí)現(xiàn)大容量的通信，因此本系統(tǒng)選用相干通信體制。

微波通信是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，傳輸速率高，一般采用定向天線，因此采用單載波的FDD體制。按照5 Gbit·s-1的傳輸速率計(jì)算，可以采用16QAM調(diào)制方式，編碼方式采用LDPC編碼（碼率8/9），成型方式選擇平方根升余弦，滾降系數(shù)選定為0.25，帶寬為1.83 GHz。

2.3? 波段與頻率選擇

激光通信常用的信號(hào)或信標(biāo)波長(zhǎng)主要包括800 nm、1 064 nm及1 550 nm三個(gè)波段。其中1 550 nm在太空中背景光少、探測(cè)的背景噪聲低，且受益于光纖通信的發(fā)展，國(guó)內(nèi)1 550 nm波段器件較為成熟，因此本系統(tǒng)選用1 550 nm波段作為激光鏈路的通信波段，800 nm波段作為激光鏈路的信標(biāo)光波段。

微波通信由于單向需要接近2 GHz的帶寬，且需要不少于4 GHz的雙工間隔，在低頻段難以找到合適的頻段，可以使用的頻段包括Q頻段和E頻段。由于E頻段頻率較高，雨衰較大，且國(guó)內(nèi)器件不成熟，因此本系統(tǒng)采用Q頻段。結(jié)合我國(guó)的頻率劃分情況，上行采用36 GHz—42.5 GHz頻段，下行采用42.5 GHz—46 GHz頻段，該頻段大氣和降雨的損耗不存在峰值。

2.4? 平臺(tái)選擇

可用于平流層的平臺(tái)包括平流層飛艇、平流層氣球和太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)三種[5]。星地中繼需要的載重較大，且需要平臺(tái)能夠穩(wěn)定在固定區(qū)域工作。太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)載重較小并且對(duì)氣動(dòng)外形要求較高，平流層氣球載重較小且沒(méi)有動(dòng)力，運(yùn)動(dòng)范圍較大，均無(wú)法滿足系統(tǒng)要求。平流層飛艇載重可達(dá)數(shù)百公斤，自身動(dòng)力可以保證在相對(duì)固定的區(qū)域工作，是星地中繼的最佳平臺(tái)。

考慮平臺(tái)的伺服等安裝要求，平臺(tái)俯仰角變化數(shù)據(jù)極限值應(yīng)不超過(guò)±15°，三軸角速度極限值不超過(guò)10°/s，三軸線加速度極限值不超過(guò)5 m/s2，載重能力應(yīng)不小于200 kg，供電能力應(yīng)不小于1 kW。

2.5? 天線口徑設(shè)計(jì)

通信天線口徑需要考慮飛艇平臺(tái)的載重能力、對(duì)準(zhǔn)的可靠性和通信能力的折中，光學(xué)天線的口徑設(shè)計(jì)為0.3 m，平臺(tái)微波天線口徑設(shè)計(jì)為0.3 m，地面微波天線的口徑設(shè)計(jì)為1.8 m。按照該口徑進(jìn)行計(jì)算，激光通信載荷重量不超過(guò)85 kg，微波通信載荷重量不超過(guò)65 kg。

2.6? 激光載荷安裝設(shè)計(jì)

激光載荷需要安裝在平臺(tái)的上方，遮擋嚴(yán)重的是橫向位置的尾翼，靠后的位置尾翼遮擋較大。選擇居中的位置，在氣球平臺(tái)俯仰角為0°的情況下，所能達(dá)到的視場(chǎng)角度為171°，可以滿足對(duì)高軌星的視場(chǎng)角要求。

頂部安裝位置示意圖如圖2所示。

根據(jù)安裝位置計(jì)算囊體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及變形情況，設(shè)定風(fēng)速為20 m/s，計(jì)算結(jié)果顯示囊體最大張力為33 N/cm，最大變形為83 mm，可以安全穩(wěn)定安裝。安裝位置應(yīng)力與變形圖如圖3所示。

2.7? 激光與微波對(duì)準(zhǔn)分析

對(duì)于星-空激光鏈路，由于高軌星穩(wěn)定性較好，其光軸初始指向精度優(yōu)于飛艇，所以鏈路捕獲模式設(shè)計(jì)為飛艇激光載荷凝視指向、高軌星激光載荷信標(biāo)掃描模式。首先采用高精度GPS/INS測(cè)量飛艇位置與姿態(tài)，飛艇激光載荷與高軌星激光載荷相互初始指向，飛艇激光載荷凝視，飛艇激光載荷CCD接收視場(chǎng)覆蓋其指向不確定區(qū)域，高軌星激光載荷發(fā)射信標(biāo)光在其初始指向不確定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行連續(xù)掃描。當(dāng)高軌星激光載荷信標(biāo)光進(jìn)入飛艇激光載荷粗跟蹤視場(chǎng)后，飛艇激光載荷轉(zhuǎn)入粗跟蹤將高軌星光斑跟蹤到粗跟蹤視場(chǎng)中心。

對(duì)于空-地微波鏈路，由于飛艇天線波束寬度大于地面站天線波束寬度，因此采用地面站天線跟蹤飛艇的方式進(jìn)行天線對(duì)準(zhǔn)。飛艇天線可以根據(jù)通信雙方的經(jīng)緯度定位信息以及慣性導(dǎo)航設(shè)備提供的測(cè)向信息計(jì)算通信位置角度，控制飛艇天線指向地面站，并且隔離飛艇的搖擺，并提供穩(wěn)定信標(biāo)，地面站天線采用單通道單脈沖跟蹤體制實(shí)現(xiàn)對(duì)飛艇的自動(dòng)跟蹤。飛艇天線也采用單脈沖跟蹤體制，配備跟蹤接收機(jī)，當(dāng)?shù)孛嬲咎炀€指向?qū)?zhǔn)后，用來(lái)實(shí)際糾正飛艇的位置姿態(tài)帶來(lái)的指向誤差。

3? ?微波鏈路雨衰分析

由于將激光通信載荷升高到平流層基本可以不考慮大氣層的影響，因此微波鏈路在不同氣象條件下的可靠性是整個(gè)鏈路可靠工作的重要保證。

平流層平臺(tái)飛行高度設(shè)計(jì)為18 km～24 km，微波載荷通信系統(tǒng)最大通信距離按照50 km計(jì)算，則地面站到浮空平臺(tái)的仰角θ≥21°6′。

根據(jù)通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YD/T 984-1998，地球站實(shí)際降雨高度為：

考慮到中國(guó)大陸的緯度覆蓋北緯4°到北緯53°，因此地球站實(shí)際降雨高度最大為4 km。根據(jù)浮空平臺(tái)仰角可知受降雨影響的地面站大浮空平臺(tái)最大路徑長(zhǎng)度，其水平投影長(zhǎng)度為10.4 km。降雨影響的地面站到平流層平臺(tái)最大路徑長(zhǎng)度示意圖如圖4所示：

下面以頻率為45 GHz，合肥地區(qū)的雨衰進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)GB/T 14617.3-2012得到雨區(qū)劃分，如表1所示：

門(mén)限電平按照-57.5 dBm計(jì)算，接收電平按照-32.4 dBm計(jì)算，根據(jù)接收電平及鏈路雨衰估算得到合肥地區(qū)99%、99.5%、99.9%可用度的鏈路通信余量如表2所示。可以看出，按照50 km計(jì)算，可以達(dá)到99.5%的可用度[7-8]：

4? ?關(guān)鍵技術(shù)分析

4.1? 隨機(jī)運(yùn)動(dòng)特性平臺(tái)高精度指向和快速捕獲技術(shù)

平流層飛艇姿態(tài)位置變化率快、變化幅度大，平臺(tái)位姿變換隨機(jī)性強(qiáng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)，這就給激光通信鏈路的初始建立帶來(lái)了非常大的難度。受到平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量誤差、視軸穩(wěn)定誤差、光端機(jī)視軸裝校誤差等因素影響，存在較大的不確定區(qū)域（通常大于幾個(gè)mrad），遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于通信光束的束散角（十幾μrad），若直接用通信光束在不確定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行捕獲，可能會(huì)需要相當(dāng)長(zhǎng)的捕獲時(shí)間，甚至導(dǎo)致相當(dāng)?shù)偷牟东@概率，因此高精度指向、快速捕獲技術(shù)是該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)[9]。

4.2? 大幅度低頻擾動(dòng)特性下的高精度穩(wěn)定技術(shù)

相對(duì)于姿態(tài)保持較好的衛(wèi)星平臺(tái)，飛艇平臺(tái)的特點(diǎn)為大幅度低頻擾動(dòng)，其姿態(tài)變化幅度大，可達(dá)到度級(jí)，并且擾動(dòng)頻率相對(duì)較低[10]。如果不對(duì)此低頻擾動(dòng)進(jìn)行抑制，不僅影響初始的捕獲不確定區(qū)域，影響捕獲性能，且此低頻擾動(dòng)也影響最終的跟蹤精度。所以艇載通信系統(tǒng)需要首先實(shí)現(xiàn)自身的穩(wěn)定，它是開(kāi)展快速捕獲和高精度跟蹤的前提，這就要求通信系統(tǒng)具備抑制這種大幅擾動(dòng)的能力。

4.3? 大容量微波高速自適應(yīng)均衡技術(shù)

高速解調(diào)器需處理的信號(hào)總帶寬超過(guò)2 GHz，寬帶信號(hào)在通過(guò)模擬射頻信道的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的群時(shí)延失真和幅度失真。越來(lái)越高的傳輸帶寬造成了嚴(yán)重的時(shí)間色散，接收信號(hào)中包含了不同衰落和時(shí)延的多徑分量，引起頻率選擇性衰落，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的碼間干擾，降低了傳輸?shù)男阅?。同時(shí)，殘留線性失真和隨機(jī)干擾也會(huì)引起設(shè)備性能下降。這些失真將帶來(lái)符號(hào)間的串?dāng)_，嚴(yán)重影響解調(diào)性能。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)采用自適應(yīng)均衡技術(shù)，減小符號(hào)間的串?dāng)_。

5? ?結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種利用平流層飛艇搭載激光載荷和微波載荷進(jìn)行星地中繼傳輸?shù)南到y(tǒng)。經(jīng)過(guò)計(jì)算，微波鏈路在合肥地區(qū)可以達(dá)到99.5%以上的可靠度，激光載荷的視場(chǎng)角可以達(dá)到171°，可以實(shí)現(xiàn)星地激光鏈路的長(zhǎng)時(shí)間工作，極大提升該鏈路的可用性。

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