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、通信容量大的獨特優(yōu)勢,是滿足現(xiàn)代社會對信息快速、實時傳輸需求的最佳途徑。星間高速激光通信鏈路作為未來太空信息高速公路的骨干鏈路,是實現(xiàn)未來天地一體化高速實時光通信網(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)萬公里的衛(wèi)星間進(jìn)行激光通信,激光束散角小的特點,以及星間相對運(yùn)動、衛(wèi)星平臺振動等因素的影響,要求必須通過捕獲、跟蹤來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,實現(xiàn)大容量高可靠性的通信,有必要對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)星激光通信空間實驗的成

3、功,為了推進(jìn)星間激光通信的實用化和商業(yè)化,各國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)計方案的改進(jìn)以及核心元器件的更替,需要從實際情況出發(fā)對一些問題進(jìn)行重新研究。
　　鑒于上述情況,本論文首先對信標(biāo)光捕獲機(jī)制和無信標(biāo)光捕獲機(jī)制的捕獲性能進(jìn)行了理論和實驗研究,然后對單CMOS探測器星間激光通信系統(tǒng)中精跟蹤子窗口的優(yōu)化問題進(jìn)行了理論和實驗研究,并探討了CMOS探測器誤差對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)跟瞄誤差角抖動對星間激光通信中信道容量和錯誤概率的影響。具體內(nèi)容包括以下幾個方面:
　　1.對適用于星間激光通信鏈路的捕獲過程進(jìn)行了理論建模。推導(dǎo)了全場掃描和步進(jìn)式掃描兩種捕獲模式的單場掃描平均捕獲時間,得到了解析表達(dá)式;基于解析表達(dá)式,對比分析了不同系統(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,且考慮到實際信號光掃描捕獲過程中需要采用多場掃描來保證捕獲概率,利用單場掃描

5、平均捕獲時間的解析表達(dá)式,對多場掃描平均捕獲時間進(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,給出了多場掃描捕獲時間的優(yōu)化條件。最后進(jìn)行了星間激光鏈路單場和多場掃描捕獲的地面模擬實驗,驗證了理論分析的正確性。
　　2.對衛(wèi)星平臺振動條件下單CMOS探測器星間激光通信系統(tǒng)中精跟蹤子窗口優(yōu)化問題進(jìn)行了研究。在焦平面陣列探測器上,建立了衛(wèi)星平臺振動條件下接收光斑隨機(jī)抖動的統(tǒng)計模型;基于該模型,得到了CMOS探測器上最佳精跟蹤子窗口的約

6、束方程;以O(shè)LYMPUS衛(wèi)星平臺振動特性為例,對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)行了平臺振動對接收光斑隨機(jī)抖動特性影響的模擬實驗,驗證了理論分析的正確性。
　　3.研究了CMOS探測器測角誤差對系統(tǒng)跟蹤精度以及雙向閉環(huán)跟蹤穩(wěn)定性的影響。分析了單向跟蹤時系統(tǒng)跟蹤誤差與CMOS探測器誤差之間的關(guān)系,建立了雙向閉環(huán)跟蹤時兩個光終端上跟蹤誤差角方差的相互制約關(guān)系模型;重點對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

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CMOS探測器參數(shù)的依賴關(guān)系。
　　4.針對OOK通信系統(tǒng),研究了隨機(jī)跟瞄誤差角抖動對星間激光鏈路的通信能力和信息傳輸?shù)目煽啃缘挠绊?對有、無靜態(tài)偏差角時的情況進(jìn)行了分別討論。建立了隨機(jī)跟瞄誤差角抖動下星間激光鏈路的傳輸矩陣,給出了最大信息傳輸率時的最佳輸入概率;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)跟瞄誤差角抖動下星間激光鏈路的錯