封面展示了低軌衛(wèi)星通過(guò)激光鏈路構(gòu)建星間通信網(wǎng)絡(luò)的情景。多顆小衛(wèi)星圍繞地球運(yùn)行，通過(guò)紅色激光束進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)高速數(shù)據(jù)傳輸，不同于傳統(tǒng)無(wú)線電通信，激光通信具備傳輸速率高、延遲低、抗干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能滿足未來(lái)高速網(wǎng)絡(luò)的需求。地球表面的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)象征著網(wǎng)絡(luò)覆蓋與服務(wù)能力，展現(xiàn)出“空天地一體化"通信系統(tǒng)的雛形。激光通信正在為構(gòu)建更快、更穩(wěn)定的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)提供關(guān)鍵支撐，標(biāo)志著空間通信技術(shù)的飛躍發(fā)展。

一、背景介紹

隨著低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，星間激光通信作為實(shí)現(xiàn)高速、低延遲數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)，正逐漸成為新一代衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的核心。然而，低軌衛(wèi)星具有軌道高度低、運(yùn)動(dòng)速度快等特點(diǎn)，導(dǎo)致激光鏈路在建立和保持過(guò)程中面臨更大的挑戰(zhàn)。其中，頻繁的星間接入與退出使得激光通信終端必須具備快速、高精度的鏈路建立與維持能力。

為了實(shí)現(xiàn)快速建鏈，激光束的指向精度要求，衛(wèi)星的激光建鏈過(guò)程猶如在數(shù)百公里外拿著激光筆照射快速移動(dòng)的對(duì)端目標(biāo)，任何微小的姿態(tài)擾動(dòng)、軌道預(yù)報(bào)誤差或光軸誤差都可能導(dǎo)致通信中斷。因此，提高激光終端在動(dòng)態(tài)環(huán)境下的快速建鏈與穩(wěn)鏈能力，成為當(dāng)前激光通信系統(tǒng)研究的關(guān)鍵方向。指向誤差修正技術(shù)，是解決這一問(wèn)題的核心技術(shù)手段。通過(guò)恒星標(biāo)校和星間標(biāo)校結(jié)合，有望顯著提升系統(tǒng)對(duì)鏈路擾動(dòng)的魯棒性，實(shí)現(xiàn)低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中高效、穩(wěn)定的激光通信鏈路動(dòng)態(tài)管理與控制，支撐未來(lái)大規(guī)模星座系統(tǒng)的高性能運(yùn)行。

二、創(chuàng)新工作

上海光學(xué)精密機(jī)械研究所侯霞、魯紹文團(tuán)隊(duì)針對(duì)星載激光通信中快速建鏈的應(yīng)用需求，提出了一種基于參數(shù)尋優(yōu)的激光通信終端指向在軌快速標(biāo)校方案。該方案綜合應(yīng)用復(fù)雜的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換和誤差修正矩陣，實(shí)現(xiàn)了對(duì)理論指向矢量的高精度修正，采用了斐波那契查找算法結(jié)合最小二乘法的尋優(yōu)策略，提高了標(biāo)校過(guò)程的收斂速度和精度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光通信終端光軸的快速、精確標(biāo)校。修正后的指向誤差結(jié)果如圖1所示，最小0.02 mrad，大0.81 mrad，平均誤差為0.42 mrad。

圖1 指向誤差修正擬合曲線

課題組在衛(wèi)星上進(jìn)行了多次在軌驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了同軌道面上衛(wèi)星之間最小指向誤差為0.10 mrad，0.95 mrad，平均誤差為0.46 mrad，如圖2（a）所示；異軌道面衛(wèi)星之間最小指向誤差為0.01 mrad，1.46 mrad，平均誤差為0.51 mrad，如圖2（b）所示，在軌驗(yàn)證結(jié)果與指向偏差修正結(jié)果吻合。階段性在軌驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)激光終端指向偏差修正后，指向殘差約為0.5 mrad，平均捕獲時(shí)間從最初大于8 min減小到小于15 s，不超過(guò)30 s，與國(guó)內(nèi)其它在軌建鏈驗(yàn)證試驗(yàn)（θFOU＜1.5 mrad）相比具有顯著提升。

圖2 星載激光通信終端建鏈測(cè)試。（a）同軌道面；（b）異軌道面

從修正后的指向誤差驗(yàn)證數(shù)據(jù)可知，同軌道面衛(wèi)星間的指向精度總體上優(yōu)于異軌道面衛(wèi)星間，這與軌道特性相吻合，同軌道面建鏈，電機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍小，指向也更加精確；異軌道面間的建鏈，動(dòng)態(tài)范圍更大，需要修正的方位、俯仰電機(jī)指向位置也更廣。同時(shí)，這兩種鏈路的指向誤差都存在周期性變化的特點(diǎn)，這是由軌道周期特性、軌道外流對(duì)于衛(wèi)星艙板的形變等多方面因素所引起的。同時(shí)，經(jīng)多次建鏈試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)，指向誤差較大的時(shí)候均是衛(wèi)星進(jìn)出陰影區(qū)的時(shí)候，衛(wèi)星進(jìn)出陰影區(qū)時(shí)，溫度、能源、傳感器和動(dòng)力學(xué)環(huán)境的變化共同作用，導(dǎo)致指向誤差增大。

三、總結(jié)與展望

在后續(xù)工作中，團(tuán)隊(duì)將聚焦于高精度指向?qū)崟r(shí)修正模型的建立與優(yōu)化，進(jìn)一步將系統(tǒng)指向殘差從當(dāng)前水平減小至激光束散角量級(jí)，實(shí)現(xiàn)秒級(jí)建鏈功能。該研究將顯著提升激光鏈路的穩(wěn)定性和可用性，為基于激光星間鏈路的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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