星間激光通信中鏈路性能及通信性能優(yōu)化研究.pdf

1、衛(wèi)星激光通信被譽(yù)為新一代的空間通信技術(shù),具有數(shù)據(jù)率高、通信容量大的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),是滿足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)信息快速、實(shí)時(shí)傳輸需求的最佳途徑。星間高速激光通信鏈路作為未來(lái)太空信息高速公路的骨干鏈路,是實(shí)現(xiàn)未來(lái)天地一體化高速實(shí)時(shí)光通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵,具有重要的經(jīng)濟(jì)和戰(zhàn)略地位。
　　為了在鏈路距離高達(dá)數(shù)萬(wàn)公里的衛(wèi)星間進(jìn)行激光通信,激光束散角小的特點(diǎn),以及星間相對(duì)運(yùn)動(dòng)、衛(wèi)星平臺(tái)振動(dòng)等因素的影響,要求必須通過(guò)捕獲、跟蹤來(lái)完成星間激光鏈路的建立和保持。捕獲的快

2、速完成是在有限的鏈路時(shí)間內(nèi)進(jìn)行最大信息量傳輸?shù)那疤?高精度、高穩(wěn)定的跟蹤是鏈路進(jìn)行可靠通信的保障。因此,為了充分發(fā)揮星間激光通信的優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)大容量高可靠性的通信,有必要對(duì)星間激光通信的鏈路性能和通信性能進(jìn)行深入的理論研究。
　　星間激光通信系統(tǒng)是集光、機(jī)、電于一體的高精密設(shè)備,具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能多樣以及系統(tǒng)參量相互制約等特性,因此,目前關(guān)于星間激光通信中鏈路性能和通信性能的研究還有待于進(jìn)一步完善。此外,隨著衛(wèi)星激光通信空間實(shí)驗(yàn)的成

3、功,為了推進(jìn)星間激光通信的實(shí)用化和商業(yè)化,各國(guó)都致力于高度集成化、小型化、輕量化系統(tǒng)的研究?？紤]到星間激光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的改進(jìn)以及核心元器件的更替,需要從實(shí)際情況出發(fā)對(duì)一些問(wèn)題進(jìn)行重新研究。
　　鑒于上述情況,本論文首先對(duì)信標(biāo)光捕獲機(jī)制和無(wú)信標(biāo)光捕獲機(jī)制的捕獲性能進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究,然后對(duì)單CMOS探測(cè)器星間激光通信系統(tǒng)中精跟蹤子窗口的優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究,并探討了CMOS探測(cè)器誤差對(duì)跟蹤性能尤其是雙向閉環(huán)跟蹤穩(wěn)定性的

4、影響,最后從理論上分析了隨機(jī)跟瞄誤差角抖動(dòng)對(duì)星間激光通信中信道容量和錯(cuò)誤概率的影響。具體內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面:
　　1.對(duì)適用于星間激光通信鏈路的捕獲過(guò)程進(jìn)行了理論建模。推導(dǎo)了全場(chǎng)掃描和步進(jìn)式掃描兩種捕獲模式的單場(chǎng)掃描平均捕獲時(shí)間,得到了解析表達(dá)式;基于解析表達(dá)式,對(duì)比分析了不同系統(tǒng)和鏈路參數(shù)下兩種捕獲模式的優(yōu)劣。鑒于無(wú)信標(biāo)光捕獲機(jī)制在小衛(wèi)星中的應(yīng)用前景,且考慮到實(shí)際信號(hào)光掃描捕獲過(guò)程中需要采用多場(chǎng)掃描來(lái)保證捕獲概率,利用單場(chǎng)掃描

5、平均捕獲時(shí)間的解析表達(dá)式,對(duì)多場(chǎng)掃描平均捕獲時(shí)間進(jìn)行了推導(dǎo)并得到了解析表達(dá)式;基于該解析表達(dá)式,給出了多場(chǎng)掃描捕獲時(shí)間的優(yōu)化條件。最后進(jìn)行了星間激光鏈路單場(chǎng)和多場(chǎng)掃描捕獲的地面模擬實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了理論分析的正確性。
　　2.對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)振動(dòng)條件下單CMOS探測(cè)器星間激光通信系統(tǒng)中精跟蹤子窗口優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行了研究。在焦平面陣列探測(cè)器上,建立了衛(wèi)星平臺(tái)振動(dòng)條件下接收光斑隨機(jī)抖動(dòng)的統(tǒng)計(jì)模型;基于該模型,得到了CMOS探測(cè)器上最佳精跟蹤子窗口的約

6、束方程;以O(shè)LYMPUS衛(wèi)星平臺(tái)振動(dòng)特性為例,對(duì)最佳精跟蹤子窗口的優(yōu)化進(jìn)行了數(shù)值仿真。最后,進(jìn)行了平臺(tái)振動(dòng)對(duì)接收光斑隨機(jī)抖動(dòng)特性影響的模擬實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了理論分析的正確性。
　　3.研究了CMOS探測(cè)器測(cè)角誤差對(duì)系統(tǒng)跟蹤精度以及雙向閉環(huán)跟蹤穩(wěn)定性的影響。分析了單向跟蹤時(shí)系統(tǒng)跟蹤誤差與CMOS探測(cè)器誤差之間的關(guān)系,建立了雙向閉環(huán)跟蹤時(shí)兩個(gè)光終端上跟蹤誤差角方差的相互制約關(guān)系模型;重點(diǎn)對(duì)兩光終端跟蹤子系統(tǒng)全同條件下雙向閉環(huán)跟蹤鏈路的穩(wěn)態(tài)問(wèn)

7、題進(jìn)行了研究,給出了穩(wěn)態(tài)存在、跟蹤誤差角方差收斂、以及穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差角方差等對(duì)CMOS探測(cè)器參數(shù)的依賴關(guān)系。
　　4.針對(duì)OOK通信系統(tǒng),研究了隨機(jī)跟瞄誤差角抖動(dòng)對(duì)星間激光鏈路的通信能力和信息傳輸?shù)目煽啃缘挠绊?對(duì)有、無(wú)靜態(tài)偏差角時(shí)的情況進(jìn)行了分別討論。建立了隨機(jī)跟瞄誤差角抖動(dòng)下星間激光鏈路的傳輸矩陣,給出了最大信息傳輸率時(shí)的最佳輸入概率;研究了最佳輸入概率和信道容量隨系統(tǒng)各參量的變化規(guī)律。建立了隨機(jī)跟瞄誤差角抖動(dòng)下星間激光鏈路的錯(cuò)