1、目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark15 o Current Document 一、引言2 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 二、深空通訊技術(shù)的概念及發(fā)展32.1、通訊技術(shù)的基本概念32.2、深空中光通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理4 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 2.3、深空中光通訊的特點(diǎn)5 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 三、深空光通訊中主要技術(shù)7 HYPERLINK l bookmark36 o Curren

2、t Document 3.1、光束準(zhǔn)直及天線技術(shù)7 HYPERLINK l bookmark39 o Current Document 3.2、高碼率調(diào)制、高能量轉(zhuǎn)換效率的發(fā)射技術(shù)8 HYPERLINK l bookmark43 o Current Document 3.3、高靈敏度和高抗干擾性的光信號(hào)接收技術(shù)9 HYPERLINK l bookmark47 o Current Document 3.4、調(diào)制與編碼技術(shù)93.5、捕獲、瞄準(zhǔn)和跟蹤技術(shù)(APT)103.6、深空光通訊中的其他技術(shù)11 HYPERLINK l bookmark57 o Current Document 四、深空光通訊

3、的發(fā)展趨勢(shì)和給我們的啟示12 HYPERLINK l bookmark61 o Current Document 五、對(duì)未來深空光通信的展望13 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 參考文獻(xiàn)14一、引言當(dāng)前，世界上正興起一個(gè)深空探測(cè)的熱潮，主要的目的是開發(fā)和 利用空間資源，發(fā)展空間技術(shù)，進(jìn)行 科學(xué)研究，探索太陽(yáng)系和宇宙 的起源，擴(kuò)展人類的生存空間，為人類社會(huì)的長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展服務(wù)。 我國(guó)以“嫦娥”探月工程為起點(diǎn)的深空探測(cè)也已經(jīng)啟動(dòng)，正逐步深 入發(fā)展。深空探測(cè)是指對(duì)2 X 106 km以遠(yuǎn)的天體和空間進(jìn)彳丁的探 測(cè)。在1988年以前，國(guó)際電信聯(lián)盟(I

4、TU)也曾將月球及月球以遠(yuǎn)的 探測(cè)定義為深空探測(cè)，因此，目前這兩種定義方法都在應(yīng)用。實(shí)施探 測(cè)的航天器稱為深空探測(cè)器，對(duì)其測(cè)控通信的系統(tǒng)稱為深空測(cè)控通 信系統(tǒng)，它包括深空測(cè)控通信地面站和空間應(yīng)答機(jī)兩大部分。它的主 要功能是：跟蹤、遙測(cè)、指令控制和數(shù)傳(TTC&DT)，在深空探測(cè)器 的整個(gè)飛行過程中，需要對(duì)其測(cè)控以保證其飛行軌道的準(zhǔn)確，而在進(jìn) 入探測(cè)過程以后，需要傳回探測(cè)信息。它是深空探測(cè)的唯一信息線， 至關(guān)重要，與其它測(cè)控系 統(tǒng)相比其重要性更加突出。不同于現(xiàn)有的 地基測(cè)控系統(tǒng)、天基測(cè)控系統(tǒng)、遙感地面接收站和衛(wèi)星通信站，深空 測(cè)控通信系統(tǒng)有著自己的特點(diǎn)和特殊技術(shù)問題。由于通信的距離很 遠(yuǎn)，所以與

5、此相關(guān)的技術(shù)問題總是處于測(cè)控通信技術(shù)發(fā)展的最前沿。 在建設(shè)深空測(cè)控系統(tǒng)以前，應(yīng)對(duì)它的特點(diǎn)進(jìn)行研究，比較它與現(xiàn)有系 統(tǒng)的區(qū)別，抓住它特殊的、主要技術(shù)問題，重點(diǎn)地開展研究工作。二、深空光通訊技術(shù)的概念及發(fā)展2.1、光通訊技術(shù)的基本概念12.1.1、深空探測(cè)深空探測(cè)是指對(duì)月球和月球以遠(yuǎn)的天體和空間進(jìn)行的探測(cè)，實(shí) 施探測(cè)的航天器稱為深空探測(cè)器,對(duì)其 測(cè)控通信的系統(tǒng)稱為深空測(cè) 控通信系統(tǒng)，它包括深空測(cè)控通信地面站和空間應(yīng)答機(jī)兩大部分。當(dāng) 前，世界上正興起一股深空探測(cè)的熱潮，主要的日的是：開發(fā)和利用 空間資源、發(fā)展空間技術(shù)、進(jìn)行科學(xué)研究、探索太陽(yáng)系和宇宙的起 源、擴(kuò)展人類的生存空間、為人類社會(huì)的長(zhǎng)期可持續(xù)

6、發(fā)展服務(wù)。深空 測(cè)控通信系統(tǒng)不同于現(xiàn)有的地基測(cè)控系統(tǒng)、天基測(cè)控系統(tǒng)、遙感地面 接收站和衛(wèi)星通信站,有著自己的特點(diǎn)和特殊技術(shù)問題，由于通信的 距離很遠(yuǎn)，所以與此相關(guān)的技術(shù)問題總是處于測(cè)控通信技術(shù)發(fā)展的最 前沿,在建設(shè)深空測(cè)控系統(tǒng)以前，應(yīng)對(duì)它的特點(diǎn)進(jìn)行研究，比較它與現(xiàn) 有系統(tǒng)的區(qū)別，抓住其特殊的、主要的技術(shù)問題，有重點(diǎn)地開展研究 工作。2.1.2、通信通信在不同的環(huán)境下有不同的解釋，在出現(xiàn)電波傳遞通信后通信 (Communication)被單一解釋為信息的傳遞，是指由一地向另一地進(jìn)行 信息的傳輸與交換，其日的是傳輸消息。2.1.3、光通訊光通信就是以光波為載波的通信。增加光路帶寬的方法有兩種： 一

7、是提高光纖的單信道傳輸速率；二是增加單光纖中傳輸?shù)牟ㄩL(zhǎng)數(shù)，即波分復(fù)用技術(shù)。光通信按光源特性可分為激光通信和非激光通信；按傳輸媒介的 不同，可分為有線光通信和無線光通信（也叫大氣光通信）。2.2、深空光通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理 2.2.1、深空光通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖1空間光通信系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)框圖空間光通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)見圖1,由光發(fā)射機(jī)、光接收機(jī)和空間 光通道3部分構(gòu)成，通信距離由視距方程確定，決定于發(fā)射機(jī)功率、接 收機(jī)靈敏度、收發(fā)天線增益、光通道傳播和損耗特性。當(dāng)光發(fā)射機(jī)和 光接收機(jī)座落于地面，光束通過地表或大氣傳播時(shí)，該系統(tǒng)即為普通 的無線或大氣光通信系統(tǒng)。當(dāng)光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)分別置于地球衛(wèi) 星、航天

8、飛機(jī)和人造空間站，光束通過宇宙空間傳播時(shí)，該系統(tǒng)即為空 間光通信系統(tǒng)。還可以構(gòu)成地面站的光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)與飛行器上 的光接收機(jī)和發(fā)射機(jī)間的地二空光通信系統(tǒng)。2.2.2、基本光通訊原理最基本的光通信系統(tǒng)是由兩臺(tái)激光通信機(jī)構(gòu)成的通信系統(tǒng)，它 們相互向?qū)Ψ桨l(fā)射被調(diào)制的激光脈沖信號(hào)（圖像或數(shù)據(jù)），接收并解 調(diào)來自對(duì)方的激光脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)雙工通信。系統(tǒng)可傳遞圖像和進(jìn)行 計(jì)算機(jī)間數(shù)據(jù)通信。受調(diào)制的信號(hào)通過功率驅(qū)動(dòng)電路使激光器發(fā)光， 從而使載有圖像信號(hào)的激光通過光學(xué)天線發(fā)射出去。另一端的激光通 信機(jī)通過光學(xué)天線將收集到的光信號(hào)聚到光電探測(cè)器上，然后將這一 光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再將信號(hào)放大，用閾值探測(cè)方法檢

9、出有用信號(hào)， 再經(jīng)過解調(diào)電路濾去基頻分量和高頻分量，還原出圖像信號(hào)，最后通 過功放經(jīng)顯示器接收，完成圖像通信?？蓚鬟f數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算機(jī)間通 信，這相當(dāng)于一個(gè)數(shù)字通信系統(tǒng)。它由計(jì)算機(jī)、接口電路、調(diào)制解調(diào) 器、傳輸信道等幾部分組成。接口電路將計(jì)算機(jī)與調(diào)制解調(diào)器連接起 來，使兩者能同步、協(xié)調(diào)工作；調(diào)制器把二進(jìn)制脈沖變換成或調(diào)制成 適宜在信道上傳輸?shù)牟ㄐ?，其目的是在不改變傳輸結(jié)果的條件下，盡 量減少激光器的發(fā)射總功率；解調(diào)是調(diào)制的逆過程，把接收到的已調(diào) 制信號(hào)進(jìn)行反變換，恢復(fù)出原數(shù)字信號(hào)將其送到接口電路；同步系統(tǒng) 是數(shù)字通信系統(tǒng)中的重要組成部分之一，其作用是使通信系統(tǒng)的收、 發(fā)端有統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，步調(diào)一

10、致。2.3、深空中光通訊的特點(diǎn)（1）、空間光通道通過自由空間傳遞信息，不受傳播媒質(zhì)色散 和非線性效應(yīng)限制，頻帶寬、容量大，是一種無損、無色散、無非線 性和無需成本的信息傳輸通道。但光發(fā)射和接收天線結(jié)構(gòu)比陸地光纖 通信系統(tǒng)發(fā)送和接收耦合結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量和尺寸大，制造、調(diào)整和運(yùn) 行維護(hù)頗復(fù)雜，成本較高。（2）、空間光通信利用激光束傳遞信息，與微波和毫米波通信 相比，頻率高波長(zhǎng)短，波斑尺寸小，方向性好，系統(tǒng)增益和檢測(cè)靈敏 度高、抗干擾能力強(qiáng)，信息容量大，天線尺寸小、重量輕、功耗低， 是實(shí)現(xiàn)宇宙空間高速通信的最佳選擇。三、深空光通訊中主要技術(shù)3深空光通訊除了有一般光通訊技術(shù)的特點(diǎn)外，因?yàn)槠鋺?yīng)用環(huán)境 的特

11、殊性而有自己的特殊要求，下面給出一些制約深空光通訊技術(shù)發(fā) 展的關(guān)鍵技術(shù)。3.1、光束準(zhǔn)直及天線技術(shù)與陸地光通信不同，空間光通信是通過收發(fā)天線建立起星際 ISLs的，天線設(shè)計(jì)和制造的優(yōu)劣直接影響到通信質(zhì)量和容量（距離比 特率乘積），亦影響到對(duì)收發(fā)端機(jī)發(fā)射功率和接收靈敏度要求。為方便 實(shí)現(xiàn)星間雙向互逆跟蹤，空間光通信系統(tǒng)均采用收發(fā)合一天線，這是 一種隔離度近100%的精密光2機(jī)組件（稱萬向支架）。為方便常采用 反射式結(jié)構(gòu)。為延長(zhǎng)ISLs長(zhǎng)度，降低對(duì)收發(fā)端機(jī)的要求，根據(jù)視距 方程，天線應(yīng)有較高的增益和效率。為適應(yīng)空間飛行器件的運(yùn)行特 點(diǎn)，天線（包括主副鏡、合束、分束濾光等光學(xué)元件及裝配結(jié)構(gòu)要緊 湊、

12、輕巧而耐沖擊、穩(wěn)定可靠。目前國(guó)際上常用的天線其口徑一般為 幾厘米至25厘米。圖2展示了一種光學(xué)天線結(jié)構(gòu)組成的示意圖，它 由天線主鏡M1、副鏡M2、干涉濾光分束片IFS1、IFS2，場(chǎng)鏡L1、 L2及探測(cè)器Det、CCD或PSD等主要元件組成。IFS1為45入 射的窄帶透射干涉濾光片，它選擇透過信號(hào)光；IFS2為正入射的干涉 窄帶透射濾光片，它選擇透射信標(biāo)光。場(chǎng)鏡L1將信號(hào)光聚焦到探測(cè) 器Det ,信號(hào)經(jīng)前放PAM1放大后送出；場(chǎng)鏡L2把信標(biāo)光聚焦到 CCD或PSD上，產(chǎn)生的位置信號(hào)，經(jīng)放大器PAM2放大后送出。系 統(tǒng)等效孔徑 100120mm ,等效焦距600 mm，位置角精度 W50 p r

13、ad ,CCD或PSD的位置分辨率 W30p m。信源SO1驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體 光源LD1,發(fā)射的信號(hào)光束經(jīng)準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡TEL. 1準(zhǔn)直后由反射天線 M3反射到M0并發(fā)射到接收系統(tǒng);信標(biāo)源驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體光源LD2,發(fā)射 的信標(biāo)光束經(jīng)準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡TEL. 2準(zhǔn)直后由反射鏡M4反射到M0, 與信號(hào)光一起發(fā)射出去，方向沿著天線軸線。圖2空間光通信系統(tǒng)光學(xué)天線結(jié)構(gòu)組成3.2、高碼率調(diào)制、高能量轉(zhuǎn)換效率的發(fā)射技術(shù)星間光通信系統(tǒng)具有遠(yuǎn)距離高碼率特點(diǎn)，這對(duì)光發(fā)射模塊提出了 很高的要求。一方面要求激光器有很好的性能，輸出的激光應(yīng)具有單 縱模、基橫模，線寬小的特性，保證激光器在高碼率調(diào)制下啁啾系數(shù) ?。涣硪环矫嬉蠹す獾墓β室?/p>

14、高。因此需要解決激光器高功率與高 調(diào)制速率這一矛盾。此外，光源的熱穩(wěn)定性，頻率穩(wěn)定性以及工作壽命等性能都是需要解決的技術(shù)。目前研究較多的是主振蕩功率放大器（MOPA）以及摻雜光纖放大器（DFA）。3.3、高靈敏度和高抗干擾性的光信號(hào)接收技術(shù)眾所周知，在深空探測(cè)光通訊系統(tǒng)中，接收機(jī)接收到的信號(hào)十分 微弱，同時(shí)又有高背景噪聲的干擾，為了精確的接收信號(hào)，通常采用 的是提高接收機(jī)靈敏度和對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行處理里的辦法。首先光電探 測(cè)器的新能直接影響到系統(tǒng)的誤碼率以及靈敏度性能，對(duì)于深空這種 距離遠(yuǎn)，噪聲影響較大的信道來說，高量子效率QE）、高響應(yīng)速度以 及很低的暗電流噪聲的深空探測(cè)器無疑成了追求的目標(biāo)。現(xiàn)

15、在運(yùn)用及 研究最多的是雪崩光電二極管（APD）類的探測(cè)器件，也提出了一種 新型的光子計(jì)數(shù)器探測(cè)器陣技術(shù)。其次對(duì)接受的信號(hào)進(jìn)行處理，為此 需采用光窄帶濾波器，如吸收濾光片、干涉濾光片和新型的原子共振 濾光器等，以抑制背景雜散光的干擾。3.4、調(diào)制與編碼技術(shù)調(diào)制與信道編碼技術(shù)的引入可以很好的提高系統(tǒng)的功率利用率、 頻帶利用率以及誤碼率性能。光通訊中最普遍的調(diào)制方式是開關(guān)健控 調(diào)制（OOK），但是其功率利用率很低，現(xiàn)在在深空光通訊中應(yīng)用最 多的是脈沖位置調(diào)制（PPM），但是它在寬帶以及傳輸容量方面尚有 不足，現(xiàn)在又提出了許多像查分脈沖位置調(diào)制（DPPM）和數(shù)字脈沖 間隔調(diào)制（DPIM）這樣的調(diào)制方式

16、，它們優(yōu)越的性能已經(jīng)進(jìn)入工程 師的研究視線中。信道編碼的引入極大的改善了系統(tǒng)的誤碼性能，深 空探測(cè)領(lǐng)域的“黃金搭配”卷積碼與RS碼的級(jí)聯(lián)被引入到了光通信 中，但是目前研究的作為turbo碼其中一種的串聯(lián)卷積碼與PPM的聯(lián) 合應(yīng)用已經(jīng)得到了距shannon限僅0.7dB的成果。最近更提出了 LDPC碼的概念，以其優(yōu)越的的性能以及編譯碼算法的簡(jiǎn)便性備受人們關(guān) 注。3.5、捕獲、瞄準(zhǔn)和跟蹤技術(shù)(APT)在深空中進(jìn)行無線的激光通信，要求通信的兩個(gè)終端必須精確對(duì) 準(zhǔn)，這樣才能保證通信的正常進(jìn)行。深空中的航天器都有其固定的運(yùn) 行軌道，但受各種因素的影響會(huì)發(fā)生微小的偏移，有時(shí)甚至是較嚴(yán)重 的偏移。而且航天器

17、產(chǎn)生自振動(dòng)，使得對(duì)光學(xué)終端快速和精確地捕獲、 瞄準(zhǔn)和跟蹤成為深空光通訊成功與否的決定性因素以及影響通訊性 能優(yōu)劣的重要因素。在未來，他還是深空光通訊中最為重要的關(guān)鍵技 術(shù)。捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)(ATP)技術(shù)是接通和保持星間ISL的保障技術(shù)，其工作過程框圖如圖3所示，通常由兩部分組成:捕獲或粗跟蹤系 統(tǒng)。由天線平臺(tái)和伺服機(jī)構(gòu)組成，受計(jì)算機(jī)控制，可在較寬的視場(chǎng)范圍 內(nèi)搜索目標(biāo)，捕獲范圍可達(dá)土 1土20。，甚至更大。通常采用陣列CCD來實(shí)現(xiàn)，并與帶通光濾波器、信號(hào)實(shí)時(shí)處理的伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成粗跟蹤，或目標(biāo)捕獲。粗跟蹤的視場(chǎng)角為幾毫弧度，跟蹤精度幾十微弧度，靈敏度約10 pW。精跟蹤4象，限探測(cè)器信號(hào)媽機(jī)精

18、跟蹤4象，限探測(cè)器信號(hào)媽機(jī)空間光通信系統(tǒng)的ATP漏I框圖跟蹤瞄準(zhǔn)或精跟蹤系統(tǒng)。其功能是在完成目標(biāo)捕獲后對(duì)目標(biāo)進(jìn)彳丁 瞄準(zhǔn)和實(shí)時(shí)跟蹤，通常用四象限紅外探測(cè)器QD或APD和高靈敏度 位置傳感器PSD來實(shí)現(xiàn)，并配以相應(yīng)的電子學(xué)伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行精 確定位。精跟蹤要求視場(chǎng)角為幾百微弧度，跟蹤精度幾微弧度，跟蹤 靈敏度約為幾nW。3.6、深空光通訊中的其他技術(shù)著陸技術(shù)在天體著陸階段，視覺導(dǎo)航系統(tǒng)不僅能夠檢測(cè)障礙物并進(jìn)行規(guī) 避，而且能夠提供相對(duì)位置等導(dǎo)航參數(shù)信息，從而引導(dǎo)探測(cè)器安全、 精確地著陸。而光學(xué)穿傳感器件的飛速發(fā)展，是視覺導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)更多功 能和提高精度成為可能視覺輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)基于SURF的圖像匹

19、配技術(shù)找出匹配點(diǎn)，并利用匹配點(diǎn)進(jìn)行探測(cè)器位置、姿態(tài)估計(jì)，最后 基于計(jì)算機(jī)視覺的組合導(dǎo)航算法來計(jì)算出著陸軌跡。高精度導(dǎo)航定位導(dǎo)航定位是深空通信的基礎(chǔ)，深空探測(cè)器在空間運(yùn)行，地面站同 它建立通信鏈路、保證通信質(zhì)量必須知道探測(cè)器在相應(yīng)坐標(biāo)系中的位 置(距離和角度)和速度，使得天線主瓣方向能夠?qū)?zhǔn)探測(cè)器和接收 信號(hào)，反之同理。由于深空探測(cè)距離很遠(yuǎn)，就更加需要精確的測(cè)角、 測(cè)距和測(cè)速能力，為深空探測(cè)器導(dǎo)航定位。四、深空光通訊的發(fā)展趨勢(shì)和給我們的啟示空間光通信是衛(wèi)星通信發(fā)展的重要方向，亦是實(shí)現(xiàn)未來超大容 量通信的主要途徑，它不僅在民用通信業(yè)務(wù)領(lǐng)域占有十分重要地位， 而且在空間探索科學(xué)研究，特別在國(guó)防和導(dǎo)彈

20、防御領(lǐng)域具有十分重 要的戰(zhàn)略地位。星際自由空間光通信技術(shù)的可行性問題已經(jīng)解決，雖然至今尚未 真正實(shí)現(xiàn)星際通信，但是發(fā)射功率、接收靈敏度、捕獲和瞄準(zhǔn)要求、 熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性等關(guān)鍵技術(shù)近幾年已取得明顯進(jìn)步，相信不遠(yuǎn) 的將來將取代微波通信成為星際通信的主要手段。地面空間光通信將作為一種主要手段進(jìn)入本地寬帶接入市場(chǎng)，特 別是那些通常沒有光纖連接的中小企業(yè)。微波系統(tǒng)和自由空間光通信系統(tǒng)在許多方面可互為補(bǔ)充，前者能 提供大區(qū)域內(nèi)低速通信，而后者能提供小區(qū)域內(nèi)高速靈活的連接。各 種系統(tǒng)的無縫連接能使用戶得到更方便的服務(wù)。此外，微波系統(tǒng)還可 與自由空間光通信系統(tǒng)互為備份，在天氣惡劣甚至無法進(jìn)行光通信 時(shí)，啟動(dòng)微波通信系統(tǒng)，可以大大提高通信系統(tǒng)的適用性和可靠性。在戰(zhàn)場(chǎng)上，當(dāng)受到敵方強(qiáng)電磁輻射干擾時(shí)，會(huì)導(dǎo)致微波通信系統(tǒng) 失效，而光纖通信