光通信之家·观察｜卫星光通信有哪些关键技术呢？

本文摘录自：崔潇. 卫星光通信关键技术及发展态势分析[J]. 信息通信技术与政策, 2021, 47(11): 65-72

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卫星光通信技术涉及到多领域的交叉研究,复杂度高、难度大,相关的研究领域包括光学、机械、信号处理、数学和计算机等。图3展示了卫星光通信链路间传输的一个典型系统，以及系统中各部分所对应使用的主要技术。其中，光学技术包括高功率光源技术、高质量光学系统设计技术；信号处理技术包括调制解调技术、背景噪声抑制技术、大气信道影响补偿技术、高灵敏度探测技术；机械技术包括平台振动与姿态补偿技术、器件部件空间适应性技术；高精度捕获跟踪瞄准（Acquisition，Tracking and Pointing，ATP）技术等。本文重点介绍卫星光通信研究中需要重点关注的关键技术。

图3 卫星光通信系统各环节中对应使用的技术

01光学关键技术

高质量光学系统设计技术的核心包含波长选取和光路设计两部分。选取波长时首先应保证光信号在传播过程中透过大气时损耗小、受太阳辐射影响小，同时在该波长下探测器具有高响应度。由于通信业务的多样化发展,卫星光通信网络中往往需要多波长同时进行传输以保证业务传输质量和带宽容量。Liu等[2]研究了拓扑变化对所需波长的影响，搭建了基于时空演化图的模型。依据模型分析得出卫星光通信网络中对波长的要求取决于网络连接跳数和所需到达时间，而光路重叠少有助于降低对波长的要求。星地链路间的常用波长有1.55、0.85和10 μm，根据天气条件和大气湍流条件，Harris等[3]对3种波长的传输特性进行了分析。

总之，卫星光通信网络中的波长选取需根据传输类型、传输环境和业务需求进行具体的选取与设计。另一方面，光路设计也是高质量光学系统设计的核心技术之一。光路设计中最重要的环节是光学天线设计，在卫星通信链路中，光信号通过光学天线进行发射和接收。传统的光学天线设计已经非常成熟，但由于存在体积大和质量大的缺陷，在当前光通信卫星正向微小型化发展的趋势下，已不能满足需求。文献[4]设计了一种小型激光通信卫星上适用的集成光学天线，该光学天线被设计在具有两个不同光栅耦合器的绝缘体上的硅（SOI）芯片上。未来卫星光通信设备上的光学天线也将在保证低偏振角误差的前提下与载荷的体积、质量同步向轻型化方向发展。

卫星光通信信号通过接收端机接收后首先被传输到信号处理模块进行信号探测。选择探测器的依据包括信号光功率、入射光的波长范围、尺寸及其他机械要求等。雪崩光电二极管（APD）和PIN光电二极管是最常用于各类实验和实际终端中的光电探测器，对于1550 nm的卫星光通信传输系统，APD光电二极管的Q因子优于 PIN光电二极管，具有更好的探测性能[5]。

通过增加接收器孔径的大小同样能够减轻大气湍流对信号的影响，利用孔径的平滑效应可以消除由小涡流引起的相对快速的波动，并有助于减少信道损耗。文献[6]验证了通过使用孔径平滑效应可以实现星地链路的性能改进，实现了在星地下行链路中信道编码和孔径平滑互相协同的实际应用，并利用不同光学孔径的雪崩光电二极管接收器进行了信号质量评估。当孔径的平均天顶角≤80°能够保证接收器的稳健性。

大气对光波的影响中最重要的一个方面是闪烁效应，为了克服大气闪烁，自适应光学技术通过矫正相位实现低误码率传输。目前，自适应光学技术已经受到广泛的关注，许多试验和应用已经在卫星光通信系统中开展。文献[7]介绍了欧洲航天局的光学地面站接收端自适应光学附件的设计、制造和工厂验收测试结果：该系统能够利用300多个“模式”来消除大部分湍流引起的静态波前误差。利用自适应光学进行预补偿可以将地面-卫星的上行链路所需的发射光功率保持在合理范围内，文献[8]通过数值模拟的方法对自适应光学对光馈线链路进行预补偿的预期性能开展了研究。用自适应光学方法进行编码矫正的可靠性也已经通过数值模拟实验得到证实。

02信号处理关键技术

信号调制解调技术与背景噪声抑制技术有部分技术交叉，特定的调制解调技术也能够实现对信号背景噪声的抑制。信号调制解调技术的选择依据包括光功率效率和带宽效率、信息传输速率以及抗干扰能力等多个方面。卫星光通信中的调制方案可以支持多种二进制格式和多级调制格式，其中二进制由于具有简单高效的特点成为最常用的格式。

其中，开关键控（OOK）和脉冲位置调制（PPM）是二进制中最为常用的两种调制方式。由于其简单的特性，OOK调制方案在卫星光通信中成为了主流技术之一，且通常和强度调制/直接检测（IM/DD）传输和接收机制同步部署。文献[9]采取不同强度调制方案来削弱大气湍流对信号产生的影响，并分析效果。其中，OOK在湍流大气条件下自适应阈值可以获得最佳削弱效果。

太空环境中背景噪声主要来源于太阳辐射，且辐射强度随波长的增加而减小。为达到抑制背景噪声的目的，一般采用的技术包括空间滤波和信号调制技术。滤波器的设计需要考虑的因素包括信号的到达角、多普勒频移激光线宽以及时间模式的数量[10]。多脉冲位置调制（MPPM）是最为常用的背景噪声抑制调制技术之一，在目前的技术发展阶段中常与其他调制方式混合使用以实现更高效率的传输。Khallaf等[11]将正交振幅调制（QAM）和MPPM混合的调制方法应用于无湍流和伽马-伽马自由空间光学（FSO）通道中，相比于传统调制方式，此混合调制方式能够得到更好的误码率性能。Elfiqi等[12]提出了一种混合两级多脉冲位置调制-多进制差分相移键控（2L-MPPM-MDPSK）技术，实现了更高功率和频谱效率。Numata等[13]提出了一种多脉冲位置调制和脉冲间距调制（PSM）融合的方案，在仿真的噪声场景下进行误码率分析，验证实现了高速率传输。

为减小星地链路间大气条件对传输信号的影响，除了可以利用孔径平滑效应、空间分集、时间分集和频率分集等技术外，还可以利用根据季节、时间、环境、天气进行调节的大气影响被动补偿技术。Polnik等[14]对大气中的云覆盖量进行预测，搭建了两种不确定性模型：具有多面体不确定性集的稳健优化模型和具有基于矩的模糊集分布的稳健优化模型。在卫星与位于英国的地面站之间的链路中分析计算了不同模型的性能，并以此为依据实现了长达6个月的卫星运行规划。

03 ATP技术

快速精确的捕获、跟踪和瞄准技术是实现远距离空间光通信的基础，尤其是星地链路间的核心技术。ATP系统包括粗跟踪（捕获）系统和精跟踪（跟踪和瞄准）系统两部分。ATP系统先通过粗跟踪系统在大范围视线内进行扫描，捕获到传输信号后再使用精跟踪系统在小范围内进行扫描。采用这种粗跟踪系统和精跟踪系统结合的方式可以快速有效地捕获到信号。图4展示了ATP系统的基本组成。

图4 ATP系统组成

由于ATP技术直接决定了光信号是否能够成功传输光通信应用，一直以来都受到科研人员的高度关注。初始指向作为获取的第一步起着至关重要的作用，Chen等[15]建立了星间激光通信初始指向的数学模型，仿真得到初始方位角 和俯仰角。Arvizu等[16]搭建了用于Cubesat和光学地面站之间的光量子通信链路的ATP系统原型，并在实验室和中短距离地面链路中展示了在受控光湍流条件下的ATP系统性能。

04机械关键技术

器件部件空间适应性技术包含多种类型，目的是减小空间环境对部件产生的影响。此类技术包括反射镜表面性能防护技术、机械部件防冷焊、日凌下热控、杂散光抑制、放大器抗辐射技术等。其中，放大器抗辐射技术是机械技术中的研究要点之一。光纤放大器属于光纤类器件，受空间的辐射环境影响非常严重，会因此产生色心从而严重影响光纤放大器的放大性能。目前，主要采用退色心抗辐射技术、预辐射载氢抗辐射技术和光纤制作工艺的抗辐射技术。

总体而言，卫星光通信中各环节的关键技术最终是为了支撑实现两个主要目标：保证链路稳定性和提高信号传输质量。随着小型化低轨卫星数量的显著增加，卫星光通信终端正在向高数据率、低功耗、小型化、低成本的趋势发展。因此，卫星光通信的各个关键技术的发展不仅要在实现基本目标的基础上优化技术实现方式，元件设计和选取还需要符合终端发展趋势的要求：关键元件质量小、功耗低，关键系统设计向微小型化发展，从而为整体产业的发展提供坚实的技术基础。

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（编辑：源码网）

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