毕业设计（论文）-数据中继卫星的关键技术--激光通信.doc

数据中继卫星的关键技术-激光通信摘要为了克服地基测控系统的不足和缺点,同时为了适应未来航天技术的发展，美国、欧盟、日本都发展自己的跟踪与数据中继卫星系统（tdrss）。中国首颗数据中继卫星“天链一号01星”也于2008年发射升空，标志着我国开始建设自己的tdrss。跟踪与数据中继卫星以其能较大幅度地覆盖和转发地球站对中、低轨道航天器的跟踪测控信号并对中、低轨道航天器发回地面的数据、图像、话音等信息进行实时、连续的中继等优势，逐渐成为发展航天技术越来越重要的项目。本文不仅对tdrss的发展概况和基本理论作了研究，而且围绕tdrss的未来发展趋势做了更深入的研究，主要针对的未来发展关键技术是卫星激光通信、美欧日tdrss的互操作和联网计划。最后对本文进行了总结，并且对tdrss的未来发展进行了简单的展望。关键词：tdrss, 激光通信，跟踪与数据中继卫星，天基测控abstract for overcoming the shortages and drawbacks of the ground-based observe &control system and adapting the future development of space technology, both the united states, eu and japan have been develop their own tdrss.the first chinese drs was launched in 2008, which marked the beginning of the construction of our own tdrss. tdrs with its advantages of greatly covering and transmitting the tracking, observe & control signals of the middle and low-orbit spacecrafts by earth station, also for real-time continuous relaying about the data, images, sound signals from the middle and low-orbit spacecrafts which for sending back to earth, it is increasingly important in developing the space technology. this dissertation not only has a brief introduction about the development of tdrss and fundamental theory, but also operates a deeper study rounding the developing tendency. its key technologies for future development is mainly about satellite laser communication, interoperateand connecting plan for tdrss. i have a summary of the dissertation and a prospect for the future development of tdrss.key words: tdrss, laser communication, space-based observe & control摘要iabstractii第一章 绪论11.1 数据中继卫星的发展概况11.1.1 美国跟踪与数据中继卫星系统11.1.2 欧空局的数据中继卫星系统21.1.3日本的数据中继卫星系统31.1.4我国的数据中继卫星系统41.2 tdrss的研究现状及课题意义51.2.1 跟踪与数据中继卫星系统的优点51.2.2 数据中继卫星系统的缺点61.2.3 数据中继卫星系统的未来发展趋势6第二章 数据中继卫星系统的基础理论研究82.1 数据中继卫星系统的组成82.2 数据中继卫星系统的链路82.3 数据中继卫星系统的性能参数与微波频段92.3.1 tdrss的性能参数92.3.2 tdrss的微波频段92.4 tdrss的技术体制102.4.1 频段分配102.4.2 调制方式和多址联接方式102.4.3 用户数据实时分发技术112.5 甚小天线地球站（vsat）卫星网络系统12第三章 美欧日tdrss的互操作与联网计划14第四章 数据中继卫星的激光通信技术174.1 卫星激光通信发展状况174.2 卫星激光通信的关键技术214.2.1 高功率激光器214.2.2 快速、精确的捕获、跟踪和瞄准（apt）技术214.2.3 精密的收、发天线224.2.4 大气信道224.2.5 振动抑制技术224.3 卫星激光通信的技术优势和难点224.3.1 卫星激光通信的优点224.3.2 卫星激光通信的难点23总结与展望255.1 总结255.2 展望25参考文献26致谢2726第一章 绪论1.1 数据中继卫星的发展概况数据中继卫星是一类特殊的通信卫星，是构成天基测控通信网的核心设备。它是20世纪航天测控通信技术的重大突破。由于其突出的特点和独特的优势，从根本上解决测控、通信的高覆盖率问题，同时还解决了高速数传和多目标测控通信等技术难题，能够对多种航天器进行长弧段的连续服务，具有较高的经济效益，因此自问世以来备受各航天强国的重视，美、苏/俄、欧、日等纷纷建立起或在建自己的tdrss系统。1.1.1 美国1. 第一代系统 1983年4月4日，美国挑战者号航天飞机发射了第一颗“跟踪与数据中继”(tdrs)卫星，直至1993年1月第6颗tdrs卫星发射后，该系统具备了在轨运行和轨道备份能力，这才真正完成了其组网过程。 由于发射失败和卫星本身故障，直到1991年发射第5颗tdrs时，美国一直只能保证一颗完好的卫星在轨，虽然其间也曾有过两颗工作卫星在轨的情况，但没有足够的轨道备份。尽管如此，这种卫星系统已发挥了很大作用，曾为12种以上各种中低轨道航天器提供跟踪与数据中继业务。2第二代系统 根据中低轨道航天器，特别是当时自由号空间站发展的需要，美国航宇局计划发展新一代系统，称为“高级跟踪与数据中继卫星”。2000年6月30日，一枚宇宙神2a火箭在卡纳维拉尔角成功地发射了数据中继卫星tdrsh。该卫星是由休斯公司制造的3颗卫星（tdrsh,i和j）中的第一颗。这3颗卫星将用来补充和增强现有tdrs系统的功能，并将提供带宽更宽、调频更灵活的空间数据和图像的中继。现有的tdrs已经为航天飞机和其它在轨航天器提供了近20年的通信服务。tdrs系统将作为美国空间通信的枢纽。第二代tdrs卫星将具有数据传输和为地面和空间提供近似连续的通信联系的双重能力。这种新卫星将增加tdrs卫星系列ka波段通信 能力，其数据传输速率可达800mb/s，并使之不受日益增强的无线电信号的影响。同时s波段的相控阵天线可以一次接收5个航天器的信号，并同时向1个航天器传输数据。tdrs卫星具有国际兼容性，可通过ka波段与日本和欧空局的中继卫星相兼容，以便在紧急情况下相互支持。美国航宇局计划分别在2002年9月和2003年3月发射tdrsi和tdrsj卫星。为保证上述工作能力，美国还建立了完善的地面支持系统。第一个白沙站配置了3副18.3m的天线，用于向tdrs馈送数据；一副6m s频段天线,用于紧急情况下的遥测信号接收和遥控指令发射；1副4.5m ku频段天线和1副3m s频段天线用于用户航天器的模拟。第二个白沙站于1995年春投入使用，将为美国航宇局的天基网用户提供高可用性指令和控制能力及更高级的服务。tdrs系统这一天基网将是国际空间站和其它用户航天器及其地面支持部分的主要通信关口。第二代卫星的s、ku、ka频段单址能力没有变化，而多址能力，返回与前向链路则分别提高了60倍和30倍。 1.1.2 欧洲 1989年，欧空局（esa）制定了分两步走的数据中继卫星发展计划，即“数据中继和技术任务”（drtm）计划。drtm包括两部分：“高级中继和技术任务”（artemis，简称阿蒂米斯）和“数据中继卫星”（drs）。2001年7月12日，阿蒂米斯卫星发射升空。由于火箭故障，阿蒂米斯卫星没有进入预定轨道，只到达了一条较低的轨道。经过18个月的努力，esa于2003年1月31日成功地使该卫星进入了正确的轨道。考虑到日本数据中继的需要，阿蒂米斯卫星的轨道位置由最初的东经16.5改为东经21.5。由于技术难度较大，drtm计划进展缓慢。到目前为止，欧洲只有一颗在轨运行的阿蒂米斯试验型中继卫星。虽然阿蒂米斯卫星只是一颗演示验证星，但它对于欧洲的空间任务来说却是至关重要的。阿蒂米斯将在下个年代前半期到达寿命期限，到时欧洲空间任务的通信能力将出现一个相当大的缺口。随着欧洲“全球环境和安全监视”（gmes）计划的实现，预计欧洲空间通信基础设施每天将需要从空间到地面传输6tb的数据。在较短的时间延迟内交付如此大的数据量，给当前的通信基础设施带来了挑战，因为常规的通信手段可能不足以满足地球观测数据用户的需要。另外，当前欧洲依赖非欧洲地面站的可用性来接收地球观测卫星的数据。因为这些至关重要的空间资产可能不在欧洲的控制之下，所以给欧洲的战略独立性带来了潜在的威胁。因此，出于战略目的，2008年6月27日，欧空局发布了新的中继卫星“欧洲数据中继卫星”（edrs）系统计划。2008年11月，欧空局部长会议批准了该计划，投资经费约为1.542亿欧元。2009年2月17日，edrs计划正式启动。edrs计划旨在进行欧洲数据中继卫星系统的开发和运行，提供了应对上述挑战的一个解决方案。 1drs的有效载荷 drs卫星的s、ka频段单址业务使用一副可同时工作在s和ka频段的反射器天线。drs与“阿蒂米斯”相比，增加了s频段多址业务，使用相控阵天线，多址阵元前向链路为24个，返回链路为48个。增加s频段多址天线后，drs可提供多个数据信道，至少在前向链路中可增加一个以上用户，返回链路可增加两个以上用户，而“阿蒂米斯”在某一时刻只能处理一个用户航天器的信息。 2drs主要承担的任务 （1）为欧洲、北非和大西洋地区的汽车、卡车、火车和轮船提供声音和数据通信服务； （2）与美国的gps导航系统和俄罗斯的glonass导航系统的导航信号具有兼容性； （3）为在轨卫星提供高速的数据传输链路。edrs的任务目标edrs计划包括edrs的研制、发射和运行，其主要目标是： （1）根据达成的针对卫星标称寿命（15年）的服务级协议（sla），通过卫星为 esa提供必要的数据中继和相关服务。假定 gmes和国际空间站（ iss）用户的需求比较成熟，且已确定了其时间范围，则优先向这两个用户提供服务。但是， edrs计划的远期目标是向整个 esa用户部门（包括运载火箭和伽利略导航系统）提供充足的全球数据中继卫星服务。 （2）通过和 esa之外的商业/政府用户共同使用该卫星，促进卫星数据中继服务市场的发展。 （3）借助于 edrs和用户部门（地球观测卫星、无人机等）技术方案的可用性，支持光学数据中继卫星技术的标准化和使用。 （4）通过与运营商/服务提供商之间的公私合作关系，实现一个经济有效的计划来开发 edrs。1.1.3日本 日本十分重视数据中继与跟踪卫星的发展，其发展分四步走：第一步是利用工程试验卫星6号进行试验；第二步是利用通信工程试验卫星进行试验；第三步是利用光学轨道间通信工程试验卫星进行试验；第四步是发射两颗实用型数据中继技术卫星。 日本工程试验卫星6号于1994年8月发射，但是未进入预定轨道，不过仍进行了s波段中继链路、ka波段中继链路、激光通信链路数据中继试验。日本通信工程试验卫星原计划与日本先进地球观测卫星进行数据中继试验，并与美国航宇局、欧洲空间局的卫星进行系统互操作试验，但因为火箭故障使该星受损而无法使用。2002年9月10日，日本成功发射了数据中继试验卫星-w，该卫星主要用来试验数据中继技术。 2005年8月23日，日本发射了光学轨道间通信工程试验卫星。该卫星为600千克（发射质量）的三轴稳定卫星，运行在550千米高度的圆轨道，设计寿命为年。该卫星的使命是通过与“阿蒂米斯”进行光通信试验，验证卫星之间的大容量光通信功能，为未来空间活动做准备，包括用地球观测卫星进行全球性数据采集和为载人航天任务提供稳定的通信，因为光通信可提供带宽比较宽的射频和比较轻的空间设备。 光学轨道间通信工程试验卫星与阿蒂米斯卫星之间的光学链路试验持续到2006年，并在不同的环境条件下建立几种光学链路，以完全证明光学轨道间通信工程试验卫星技术。光学技术用于数据中继具有几种优点：提供高数据率的能力、低功率终端、实现安全且抗干扰的通信。地球观测、电信业务、科学应用及太空运行能够真正地受益于这种数据传输的新方法。 2006年3月22日31日，日本国家信息通信技术研究所光学地面站与光学轨道间通信工程试验卫星之间成功地进行了光学通信试验。这是世界首度成功进行的低地球轨道卫星与地面站间的光学通信试验。2006年6月7日，日本利用激光束成功进行了光学轨道间通信工程试验卫星与德国宇航中心移动地面站之间的光学通信试验，这次试验成功意味着利用一颗卫星与移动光学地面站建立灵活的光学通信网络的可能性。在积累一定的经验后，日本最终将发射两颗实用型数据中继技术卫星。另外美国航宇局、欧洲空间局和日本宇宙探索局都在发展s、ka波段的数据中继与跟踪系统，三方拟建立互操作系统，以实现三方联网。但极力追求某项功能的先进性使得日本在航天活动中屡屡失败，这是其硬伤。1.1.4中国 2008年4月25日23时35分，中国首颗数据中继卫星“天链一号01星”在西昌卫星发射中心由“长征三号丙”运载火箭成功发射升空。“天链一号”由中国空间技术研究院为主研制，采用成熟的“东方红三号”通用平台并突破多项关键技术，在轨寿命8年，有效载荷302kg，513所为中继卫星提供测控、供配电等共计13太设备。其中，遥测视频调制器等设备为该卫星起到举足轻重的作用，其发射成功填补了中国中继卫星领域的空白。 除了正在运行的天链一号卫星之外，中国下一代数据中继卫星系统正在紧锣密鼓的推进之中。其将采用东方红四号平台。东四平台是我国近年来在成功开发东三平台基础上，航天科技者通过技术升级和科学探索推出的新一代航天卫星平台，将会成为中国今后十几年内各类大卫星的主要载荷平台。东四平台能力大幅度提高：平台设计寿命达15年，采用全三轴稳定控制方式，输出总功率为10.5千瓦，并具有扩展到10千瓦以上的能力，可为有效载荷提供功率约68千瓦，整星最大发射重量可达5200千克，并且在姿态控制和在轨定点控制达到了国际先进水平。 此外中国还在研究对月球轨道进行中继卫星测控的方案，为未来的中国载人登月计划做充足的准备。中国航天将逐步完善天链系统和光学，红外等多线以及sar雷达成像和合成孔雷达卫星的预警体系，建立属于中国自己的天基系统平台 。1.2 tdrss的研究现状及课题意义1.2.1 跟踪与数据中继卫星系统的优点高频段电波的直线传播特性和地球曲率的影响，使测控站跟踪中低轨道航天器的轨道弧段和通信时间受到限制，跟踪与数据中继卫星相当于把地面上的测控站升高到了地球静止轨道的高度，一颗卫星就能观测到大部分在近地空域内飞行的航天器，两颗卫星组网就能基本上覆盖整个中低轨道的空域。因此由两颗卫星和一个测控站所组成的跟踪与数据中继卫星系统，可以取代配置在世界各地由许多测控站构成的航天测控网。tdrss是充分利用太空的高空资源，把地面的测控及通信站搬到空间地球静止轨道的卫星上去。只要发射两颗星，空间角位置上间距130度，便对所有轨道高度约1200公里至12000公里近地轨道飞行器可实现100的连续跟踪覆盖，对轨道高度约200公里的飞行器，也可实现85覆盖。所有用户飞行器、空间站核心站，可利用tdrss中的任一颗进行双工通信。tdrss星收集所有用户星的数据，编排成帧后，再与单一地球站建立通信链路，tdrss和地球终端站就成为太空和地球之间建立通信联系的唯一信息港。地球站通过tdrss可间接与用户星建立通信链路，借助tdrss的中继，地球站可对各用户星测轨定位跟踪与数据中继卫星可以摆脱对绝大多数地球站的依赖，而自成一独立的专用系统，更有效地为军事服务。 能大量减少地面站的数目，节省经费。只需保留用于5000km以上的航天器的地面站；所有中、低轨道航天器都集中控制，使设备和人员得以充分利用，同时使通信业务的调动十分方便；强大的跟踪和数据传输能力。tdrss的多址勤务能同时跟踪20个低速用户航天器，单址勤务可同时跟踪2-4个高速率用户航天器，最高数传能力达300mb/s。1.2.2 数据中继卫星系统的缺点不能跟踪高轨道和高椭圆轨道的卫星，这是由于中继卫星的跟踪视场造成的，其多址勤务的视场为26，单址勤务的视场稍微大一些，其天线波束的可控范围为45。提高了对用户的要求。用户航天器与中继卫星的距离为42000km，远大于用户航天器与地面的距离。要求用户航天器加大发射功率，采用高增益的窄波束天线。tdrss位置固定，而且所有中、低轨道用户都由该系统控制，因此一旦tdrss受到干扰或者破坏，整个系统将陷于瘫痪状态1.2.3 数据中继卫星系统的未来发展趋势 （1）由于系统技术复杂，各国在正式组网前均在关键技术进行了卫星塔载实验，各系统运行方式上有相互组网的要求。 （2）随着信息流量的爆炸性增长，目前以微波为载体的空间卫星通信技术逐渐暴露出其自身的弱点，即随着通信数据率的提高，作为传统手段的微波开始逐渐接近其最高传输率的理论瓶颈。在此背景下，人们自然把目光转移到了以激光作为信号载体的光通信，期待依靠激光通信的高数据传输率来解决问题。 卫星光通信是一种崭新的空间通信手段。利用人造地球卫星作为中继站转发激光信号，可以实现在多个航天器之间以及航天器与地球站之间的通信。激光空间通信与微波空间通信相比，波长比微波波长明显短，具有高度的相干性和空间定向性，通信容量大、重量轻、功耗和体积小、保密性高、建造和维护经费低等优点显著，逐渐成为各国专家研究的热点问题。近年来，欧盟各国，美国、日本等都对空间激光通信技术展开了全面深入的研究，投入大量的人力物力进行相关技术的研究和空间激光通信实验装置的开发。 （3）通信数据率越来越高，通信频段向更高频段发展；第二章 数据中继卫星系统的基础理论研究2.1 数据中继卫星系统的组成中继卫星系统一般由3 个部分组成。（1）空间段中继卫星系统的空间段为配置于静止轨道上的两颗或多颗中继卫星，它们对中低轨道航天器的覆盖情况可以通过简单的几何关系求得。当两颗中继卫星经度差为160时，对轨道高度400km 以上的航天器可以实现100%的覆盖。考虑地面终端站对两颗卫星的仰角过小时，大气和路径的衰减会严重干扰链路的性能，一般要使天线仰角大于10，因此经度差一般选择130左右，此时对600km轨道的覆盖率可达到94%，对1200km 以上的轨道可以实现100%的覆盖。（2）用户航天器中继卫星系统的主要用户是进入中低轨道的各类航天器，尤其是要求高轨道覆盖率的载人航天器和高数传速率用户星。该系统还能用于高动态运载火箭的全程遥测数据传递，长航时无人机、长期高空气球、海上浮标探测数据的传输，极区站高速接收数据的实时转发，甚至还可为运载火箭或导弹发送遥控指令。（3）地面段地面段主要指中继卫星系统的地面测控终端站。地面测控终端站向用户航天器发送遥测遥控、跟踪信号，其指令通过中继卫星转发，在中继卫星与用户航天器之间建立通信链路，发送给用户航天器。用户航天器要发向地面的遥测数据、探测数据、语音和电视等信息，经星间链路发向中继卫星，中继卫星接收后，经变频、编码、调制等处理，转发到地面测控站。 2.2 数据中继卫星系统的链路 前向通信链路（forward link, fwl） 由地面站中继星用户星的通信链路，前向链路中分为前向轨道间链路（星-星）和前向馈电链路（地-星）。 返向通信链路(return link, rl) 由用户星中继星地面站的链路，同样分为返向轨道间链路和返向馈电链路。 轨道间链路（星间链路iol）是指用户星和中继星之间的通信链路，采用s/ka双频段工作，s频段主要用于对用户星测控和传输低速数据，ka频段用于高速数据传输。 馈电链路 指中继星与地面站的通信链路，工作在ka频段。2.3 数据中继卫星系统的性能参数与微波频段2.3.1 tdrss的性能参数品质因数g/t （g为天线增益，t为放大器的等效噪声温度）等效全向辐射功率（eirp）：地球站天线增益与馈入功率之积称为eirp2.3.2 tdrss的微波频段（1）ka 波段ka波段是电磁频谱的微波波段的一部分，ka波段的频率范围为26.5-40ghz。ka代表着k的正上方 (k-above)，换句话说，该波段直接高于k波段。ka波段也被称作30/20 ghz波段，通常用于卫星通信。 ka波段大致上的频率范围是3020ghz。ka频段具有可用带宽宽，干扰少(干扰不一定少)，设备体积小的特点。因此，ka频段卫星通信系统可为高速卫星通信、千兆比特级宽带数字传输、高清晰度电视(hdtv)、卫星新闻采集(sng)、vsat业务、直接到户(dth)业务及个人卫星通信等新业务提供一种崭新的手段。ka频段的缺点是雨衰较大，对器件和工艺的要求较高。在ka频段频音下，ka用户终端的天线尺寸主要不是受制于天线增益，而是受制于抑制来自其它系统干扰的能力。 （2）ku波段ku波段的地面干扰很小，ku波段频率高，一般在11.7-12.2ghz之间，不易受微波辐射干扰，大大地降低了对接收环境的要求；接收ku波段的天线口径尺寸小，便于安装也不易被发现； ku频段宽，能传送多种业务与信息； ku波段下行转发器发射功率大（大约在100w以上），能量集中，方便接收。 降雨对ku波段卫星广播的影响比较严重，其上下行信号降雨衰耗远大于c波段，暴雨情况下ku波段上行或下行链路瞬间雨衰量可超过20db，而c波段最大雨衰量一般不超过1db。ku波段的频率受国际有关法律保护，ku波段卫星单转发器功率一般比较大，多采用赋形波束覆盖，卫星eirp较大（3）s波段s波段是指频率范围在1.55-3.4ghz的电磁波频段。主要应用：中继卫星通信，雷达等。现在广泛使用的蓝牙，zigbee，无线路由，无线鼠标也在使用这个频段范围的频率进行传输。2.4 tdrss的技术体制2.4.1 频段分配 国际电联对卫星通信应用的各个频段有详尽建议。我国选用如下：6/4ghz频段：上行5.9256.425ghz,下行3.74.2ghz。2.4.2 调制方式和多址联接方式 中继星通信系统应采取怎样的调制方式与解调方式，应综合考虑多方面的因素来定，包括卫星功率与频带的有效利用，带限与迟延失真，热噪声、干扰等的影响，行波管功率放大器等器件相位和幅度非线性的影响等。 由于中继星信道是频带、功率都受限的非线性信道，要求已调信号具有恒包络，以便提高射频高功放的利用率，故各种幅度调制不适用于中继星信道。卫星通信的技术体制涉及以下几方面的问题：基带信号和多路信号的复用方式、调制方式、多址连接方式及信道分配技术。fdma方式是网内各地球站共用一个转发器，将卫星转发器的可用带宽分割成若干互不重叠的部分，分配给各个地球站使用。（1） 频分多路/调频/频分多址（fdm/fm/fdma） 这种方式有两种不同的构成方法： 第一种方法：每个地球站对其他地球站的通信分别使用不同频率的载波，即与几个站通信就发几个载波。第二种方法：每个地球站把发送到其他地球站的电话信号分别复用到基带的某一指定频段上，而后调制到一个载频上，每个地球站只发射一个载波，这个载波包含了其余地球站的全部信息，因而接收端要接收整个频带的信息，再从中取出与本站有关的信息。（2） 单路单载波/频分多址（scpc/fdma） 当传输电话路数较多，但每个话路业务量较少时，可以采用一个载波上只传送一路电话，按照fdma方式送往卫星转发器。（3） 按需分配频分多址（spade）方式 spade实际上就是按需分配的scpc系统。在tdma方式中，分配给各地球站的是一个特定的时隙，各地球站在基准站发出的定时同步信号的控制下，只在指定的时隙内向卫星发射信号（称为射频突发信号），这些射频信号通过卫星转发器时，在时间上是严格依次排列、互不重叠的。cdma 是码分多址(code-division multiple access)技术的英文缩写，它是在数字扩频技术的分支扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。cdma 技术的原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽信息数据用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。2.4.3 用户数据实时分发技术 数据传输模式：中继卫星地面设备对于用户数据流而言是透明传输通道，不对用户数据做任何处理，不负责用户航天器自身的控制，用户数据加密/解密由用户自行完成。中继卫星管理部门接收到由用户生成的前向数据，根据标志实时向地面终端站传送，进行编码、调制并发送至中继卫星。地面终端站接收到反向数据后，对数据进行必要的标注后，实时向卫星管理部门传输，卫星管理部门根据数据的标志，分类转发至用户部门。数据传输信息流程： （1）反向数据中继 反向数据中继的原则是保证反向数传链路数据的信息熵最大化。地面终端站接收到的空间反向数据在本地封装为“反向用户数据”格式，采取数据驱动方式传送至卫星管理部门，卫星管理部门负责将反向数据分发至各用户部门。（2）前向数据中继对于不同用户部门使用同一空间链路进行的前向数据中继业务，地面站遵循“先到先服务”的服务原则。空间前向链路在地面封装于“前向用户数据”帧中，卫星管理部门至地面终端站的传输采用数据驱动的方式图2-1 tdrss数据传输示意图 第三章 美欧日tdrss的互操作与联网计划美国航宇局、欧空局和日本都在发展s、ka频段的数据中继与跟踪系统，1985年三方成立了空间网互操作委员会，随后达成建立互操作系统的协议，以实现三方联网。天基网互操作计划的基本目的是实现国际合作并节省开支。所有成员都将在通信和数据传递中相互得益，特别是在空间计划中，现已开始互操作设计。 研究工作大体上分两个阶段，第一阶段主要解决s频段的互操作问题；第二阶段解决 ka频段的互操作问题。 为了建立互操作系统，三方对轨道间信号的跟踪与捕获方法、通信链路分析和使用频率进行了长时间的广泛协调，从技术上已基本达成协议。s频段互操作技术问题和建议的链路参数解决较早；关于ka频段空间网互操作问题，协调较为复杂，最后三方都同意前向链路使用23ghz，返回链路使用2527ghz。 1s波段相互支援 三个航天局都同意在各自的数据中继卫星上装频率可调的s波段用户业务转发器。这些转发器的频率调整范围是20252110mhz（前向）和22002290mhz（返回方向）。 当系统设计方案确定之后，将采纳现有航天局间频率协调方法。下面两条明确了三个航天局间选用s波段工作频率的有关问题。 （1）各航天局都需要保护其在s波段中的指定频率，以为其用户星服务。这些用户频率的分配将根据不同的情况逐个进行。 （2）2106.4/2287.5mhz频率将留给tdrs的多址业务，但也可供采取极化(或码分)的、需要至少一种多址兼容模式工作的用户星所共享。 为了使经直接馈入链路或经中频工作的特殊设备能互连各航天局的数据中继卫星系统，必须解决接口兼容问题。 为了使互操作的基带信号兼容，必须规定一种信号构造原则。在空间站时代采用高级数据系统的ccsds标准后，各航天局很容易解决这种兼容性问题。 2ka波段现状 虽然s波段频率较低，使用方便，灵活性好，可是地面固定链路和无线移动业务也用该频段，从而给空间业务使用造成威胁，带来了干扰的风险。ka波段与其它业务的争用问题较小，能传递高达数百兆比/秒的数据。 欧空局率先在轨道间链路上采用23/26ghz频段（ka波段）。这些频段可为21世纪的多实验平台、空间站和高级对地观测成像系统提供所需的宽带链路。美国航宇局的第二代tdrs也选用了同一频段。1989年底，日本宇宙开发事业团宣布改变其早先频率规划，日本drts及实验型中继星comets都使用23/32ghz频段。空间网互操作委员会很快意识到这为ka波段互操作创造了良好的开端，随即对其进行研究。 目前，实现ka波段互操作已取得明显进展。因为某些ka波段卫星的数传速率可高达数百兆比/秒，因而该数据的地面传输就显得格外困难。其它国际组织正在研究高速数传问题，空间网互操作委员会将密切与其配合，以便需要时可利用这种高速数传技术。3. s/ka频段的互操作参数（）.频段的互操作射频参数 频段互操作技术问题和建议的链路参数解决较早，协调后的参数见表1。 （）.频段的互操作射频参数 关于频段空间网互操作问题，协调较为复杂，最后三方都同意前向链路使用，返回链路使用。频段单址链路主要参数见表。 表1_日、美、欧三方互操作空间网s频段参数日本宇宙开发事业团美国航宇局欧空局前向链路调制方式uqpsk 数据率0.1300 频率2025 带宽10mhz(最小)极化右旋圆极化和左旋圆极化eirp(dbw)3843.6.41返回链路调制方式ss 数据率0.1300/s/16000kb/s 频率2200 带宽10mhz 极化右旋圆极化和左旋圆极化g值(db/k)7.08.56.5表2_ka频段单址互操作信号参数日本宇宙开发事业团美国航宇局欧空局互操作空间网(snip)前向链路数据率bpsk：100kb/s15b/sqpsk：100kb/s30b/s sqpn：1300kb/sbpsk：300kb/s25b/ssqpsk：50mb/sbpsk：1kb/s25b/suqpsk：1kb/s25b/sbpsk：300kb/s12.2b/s 载波频率(ghz)23.20523.445可调谐宽带：23.505窄带：23.487523.522523.12.点调谐23.205.链路带宽(mhz) 30505010eirp(dbw)4848545(待定)返回链路数据率bpsk：160b/sqpsk：1120mb/ssqpn：1300kb/sbpsk：1kb/s325mb/ssqpsk：1kb/s650mb/sbpsk：1kb/s75mb/suqpsk：1kb/s75mb/sqpsk：75150mb/s bpsk：(待定)75mb/sqpsk：78143mb/s载波频率(ghz)25.52526.425调谐(1mhz一档)25.2527.5点调谐25.2527.5调谐(5mhz一档)25.52527.425链路带宽(3db)150mhz 1ghz,250mhz，80mhz 225mhz 225mhz 接收g/(db/k)26.029.422.3待定第四章 数据中继卫星的激光通信技术4.1 卫星激光通信发展状况、美国 美国是世界上最早开展激光通信技术研究的国家，也是技术走在最前沿的国家之一，它最主要的研究部门有美国宇航局（nasa）和美国空军（air force）。nasa早在七十年代初就资助进行co2激光和光泵浦的nd:yag激光空间通信系统的研究。它的应用是高码率的同步卫星间(leo-leo)光连接和低码率的深空光中继。以后，随着体积小、重量轻和成本低的近地卫星(leo)的增多，以及相应的关键技术和元器件的发展，激光通信的应用逐步扩展到leo-leo, leo-geo, leo-地面站和leo-飞机的光通信链路。 nasa的代表是激光通信演示系统lcds(laser communication demostration system)，主承单位是bell aerospace, 参加单位有thermotrex(泰克)公司、comsat实验室、doedalian技术公司、motorola公司和artin maritta公司等。其研究的目的有两个，一是演示两个运动平台之间及平台与地面之间的高码率光通信连接；二是论证在未来的卫星通信中，激光通信与无线电通信相比，在性能、体积、重量、功耗及传输码率等方面的优势。该系统技术要求至少有一个通信端机在太空中，1995年年中完成研制，1998进行一次飞行试验，用750mbps的速率进行数据传输。lcds系统应用于卫星链路所存在的问题主要有：卫星链路网络中结点间远距离双工通信；宽角度光学瞄准定位；高速率高码率的通信；在上行与下行通信链路中云雨的色散和衰减影响。nasa鼓励工业界参与研制激光卫星通信技术，已与工业界签订了两项合同，任务包括估算未来空间激光卫星通信市场，研制激光卫星通信计划（包括卫星的公用舱和运载火箭），并制定了未来激光卫星通信计划。两项合同的目的是开发激光卫星通信市场，并准备在将来用于商业卫星通信网络。 nasa还同时进行一些自由空间激光通信的关键技术和演示系统的研究，主要有光通信演示系统ocd(optical communication demonstration）、空对地演示系统、topsat(top graphical mapping satellite)系统研究、大气能见度监测计划（avmp）等。另外，nasa还进行了一些关键技术研究：小口径光学天线研制；高功率的激光源和调制方法；近量子限的高灵敏度接收机；快速准确的atp(acquisition, tracking, position)技术等。 nasa还支持喷气推进试验室(jpl)研制其它激光卫星通信计划，包括研制高能(3.5w)nd：yag激光通信设备，设备装有保存图像功能的窄频激光滤波器，用于支持nasa执行未来的任务，并计划研制地面和空间的激光卫星通信跟踪网络。jpl也自行研制激光卫星通信设备，名为激光通信验证器是一种较简单的激光系统，主要用于航天飞机与地面间的通信，传输速率为100mbps。另外还在研制传输速率为500mbps的激光通信设备。 美国空军部在七十年代中期资助进行了选择最佳通信波长的研究工作，并进行了在acts飞船上搭载使用半导体激光发射机以建立飞船与地面之间的外差接收联系的预研工作。目前，它最具有代表性的系统是lite(laser intersatellite transmission experiment)，美国空军部从1985年启动lite项目。麻省理工学院林肯实验室研究高码率数据传输、高灵敏度检查；thermotrex公司研究跟踪瞄准技术，其中包括对太阳等背景辐射有高抑制作用的原子滤光器。研究目标是geo和leo之间以及卫星通过高空飞机和地面之间的激光通信，传输码率为220mbps。astro terra公司也在air force的资助下进行了激光通信技术研究，它研制的系统装载于1988年发射的strv-2卫星上。该系统的传输码率为：上行155mbps; 下行1.24gbps。另外，air force 还进行了有价值的激光通信实验，主要有预警机与战斗机之间的通信，其作用距离为8-64km，可同时与50个目标进行通信，传输码率均为2mbps。 美国国防部最大的激光卫星通信计划是国防防御计划(dsp)中的激光通信系统计划(lcs)。这项计划由美国空军投资，由麦克唐纳.道格拉斯公司研制台设备，在同步轨道(geo)建立横向通信网。整个系统的传输速率相对较低(约1mbps)。已经组装了台设备，但没被发射升空，lcs计划在1993年被取消。美国国防部的另一个激光卫星通信计划也是由麦克唐纳.道格拉斯公司实施，开始名为助推级跟踪系统(bsts)，后来空军又更名为早期跟踪预警系统(fews)，这项计划也是1993年底被取消。 战略导弹防御组织(bmdo)目前正在美国陆军空间和战略指挥部的领导下研制激光通信终端设备。已研制出台工程试验模型，并把它们放置在两个相距42km的山峰之间，信号的传输速率为1gbps，误码率小于10-6 ，并在全天候进行了试验，验证了这两台设备都达到了设计要求，陆军还计划九十年代末进行空中试验。另外，bdm还准备建造两台类似的空间激光通信设备，其中一台计划用于bmdo的strv2试验,于1998年发射。 随着美国第一代跟踪与数据中继卫星系统(tdrss)投入使用，美国的光学空间通信研究进入了一个新阶段。针对第一代跟踪数据中继卫星的通信带宽不足及受星本体结构的限制而不能安装过多跟踪天线的缺点，在第二代跟踪与数据中继卫星的方案设想中采用了激光星间链路(isl)，即利用激光进行卫星间的瞄准、捕获、跟踪及通信。这将大大增加通信容量，提高跟踪天线测角的精度，明显地缩小了发射天线的体积，从而极大地提高了中继卫星的功能。毫无疑问，isl将会使中继卫星达到一个新的水平。美国第二代中继卫星将于2000年后投入使用，因此对光学空间通信的研究也加快了步伐，对使用波长在810-7m的半导体激光器的空间光通信终端设备研制工作已接近尾声。这种光学空间通信的收发设备的质量小于115kg, 所需功率小于200w, 具有50mw的平均发射功率和200mw的峰值发射功率。 、欧洲 欧洲空间局(esa)一直重视光学空间通信的研究工作。欧空局在光学空间通信研究方面不仅起步早，而且制定了一系列研究计划，在近二十年的时间里对有关技术进行了有步骤、周密详细地研究。自1977年起esa即开始进行isl的研究, 并制定了一系列阶段性研究计划，如进行基础技术研究的trp计划和长途通信准备计划(tpp)，进行光学空间通信系统及技术研究的astp计划，在1987年至1992年期间实施了有效载荷及模拟和实验的psde计划，针对欧空局欲在数据中继卫星(drs)上安装光学空间通信系统的计划, 有在1987至1995年进行了数据中继准备计划(drpp)。 从1989年起，esa开始实施半导体星间激光链路试验(silex)计划，实施这个计划的目的是为了发展光学空间通信系统元器件，以及在实用前进行一次空间试验，以测试光学空间通信系统的性能。该计划的第一阶段是在法国地球观测卫星spot-4与esa的同步数据中继卫星阿特米斯artemis之间进行通信实验。前期准备研制两台silex设备，传输速率50mbps。台设备将分别装在spot-4和artemis卫星上。1996年底已发射了第一台silex设备，计划在leo-gao、gao-gao轨道之间进行通信，gao-地面间进行通信试验。第二阶段将进行geo-geo之间的通信，链路计划由欧洲数据中继卫星(drs)实施，drs卫星计划于1999年发射。 系统的主要参数为： 波长 - 探测信标 8.0110-7m - 前向链路 8.1910-7m - 后向链路 8.4710-7m 数据速率 - 前向链路 2mbps - 后向链路 50mbps 链路距离 45000km 光学发射功率 平均 60mw 峰值 110mw leo终端 - 重量 160kg - 功率 160w geo终端 - 重量 160kg - 功率 180w - 体积 11008301000mm3 esa还在进行激光卫星通信技术和光学地面站(ogs)等方面的研究工作，这些技术包括高能nd-yag激光通信设备，高速(大于565mbps)外差和零差接收器和小型用户接收器。 、日本 日本于八十年代中期就开始了光学空间通信研究工作。主要有邮政省的通信研究室(crl)、宇宙开发事业团(nasda)及高级长途通信研究所(atr)的光学及无线电通信研究室。根据近年的研究情况，日本主要是对两个自由空间光通信系统进行研究和实验，一个是nasda支持的安装于oicets(optical intersatellite communication engineering test satellite)卫星上的luce(laser utilizing communication equipment)系统，另一个是crl研制的安装于ets-的lce(laser communication equipment)系统。 宇宙开发事业团(nasda)研究和发展了激光空间通信(ilc)系统，并计划于1998年在自由空间站上日本实验舱(jem)与日本的数据中继及跟踪卫星(drts)之间用ilc系统进行实验。 另一计划是激光通信工程试验卫星(oicets)计划。oicets计划由日本和欧洲联合建造一条卫星间的通信链路，即欧洲在1997年发射的artemis同步中继卫星上安装一台半导体激光星间试验装置, 日本在1998年发射的oicets卫星上安装一台终端。届时，进行同步轨道卫星(geo)和低轨道卫星(leo)设备之间进行激光卫星通信。nasda决定由日本电气公司研制oicets卫星，该卫星只携带光学终端、质量约500kg，它将在500km的低轨道上运行。发射oicets的目的是对光学空间通信的探测、跟踪等光学技术及光学试验装置进行实验、评价和改进。crl主要计划在地面站与工程试验卫星菊花6号ets-之间进行激光通信实验(lce)。在此实验中，进行星间链路所要求的几种基本功能试验，如高精度跟踪、双项链路光通信、高精度高度测量等。 激光通信试验(lce)计划，试验设备装在ets-卫星上，该卫星已于1994年8月发射，但由于助推火箭出现故障，ets-卫星没有进入预定的geo轨道，只好在大椭圆轨道上运行，所以试验结果没有达到预定的目标，只进行了一些有限的试验。后经过一再努力，据报道, 1995年6月日本的技术实验卫星与美国大气观测卫星成功地进行了8分钟的双向激光通信；7月日本还实现了卫星与地面站之间的双向光通信。卫星激光通信的出现是现代信息社会对大容量、长距离、低成本通信的需求的必然结果，而它的优点也表明了卫星激光通信能够承担此重任。4.2 卫星激光通信的关键技术4.2.1 高功率激光器空间激光通信具有传输距离大，空间损耗大的特点，因此要求建立激光链路的光源输出功率大，调制速率高，一般主要有三类： 二氧化碳激光器 输出功率最大(10kw)，输出波长有10.6m和9.6m，但体积比较大，寿命不长，比较适合于卫星和地-星的光通信。 半导体激光器 代表为二级管激光器，其优点在于超小的外形体积，极高的转换效率、结构简单等。但半导体激光器与别的激光器相比较，缺点是发射光功率较小、波长稳定性差、线宽较宽、调制速度较低，尤以发射功率最为突出。为了解决这一问题，目前采用了一种主控振荡功率放大(mopa)的半导体器件，只要该器件的功率环境能满足空间环境要求，半导体激光器会被更广泛的应用于星间和星地激光链接。 固体激光器 固体激光器因其体积过大、转换效率低，并未被星上应用看好，但随着探测灵敏度对调制方式选择，固体激光器波长稳定性好、发射功率可以做得很大的优点受到重视，特别是nd:yag固体激光器，比较适合空间应用。它的一个突出缺点是电光转换效率，现在这一缺点已得到部分改善。4.2.2 快速、精确的捕获、跟踪和瞄准（apt）技术apt是技术保证实现星间、星地激光通信的关键技术之一，在太空中，在u rad量级的发散角度的条件下，进行精确的捕获、瞄准和跟踪是实现在超远距离的高速运动的终端间建立通信链路的核心技术，系统通常分为两部分：（1）捕获（粗跟踪）系统