卫星光通信和组网技术

本书系统阐述了卫星光通信及其组网技术的理论与实践，具体介绍了卫星光通信的发展历程、国内外典型的在轨试验、空间链路特性，并剖析了通信终端的光机、捕跟、通信、主控等核心单元的设计，重点论述了星间与星地激光通信链路系统的捕获、跟踪、组网等关键技术，以及大气湍流的影响与补偿、地面测试与验证等工程实践问题。本书集系统性、先进性和实用性于一体，可以作为航天工程、光通信技术领域科研人员与工程师的参考用书，也可以作为相关专业师生的学习资料。

于思源，哈尔滨工业大学航天学院教授，博士生导师；激光空间通信技术与应用黑龙江省重点实验室，主任。从事卫星光通信研究工作。研究方向包括空间光通信总体技术、光束瞄准捕获跟踪控制技术、光信号大气传输补偿技术等。共获国家和省部级科技奖励10余项，其中：国家发明一等奖1项（2014年），省发明特等奖1项（2016年）；GF科技进步一等奖1项（2018年），2019年获中国先进技术转化应用大赛金奖。2015年入选科技部创新人才推进计划中青年科技创新领军人才；2017年获黑龙江省杰出青年基金资助；2018年入选第三批国家"万人计划”科技创新领军人才，获"GF科技卓越青年科学基金”资助；获"国家自然科学基金重大研究计划”资助；。已在国内外学术期刊、国际会议、国内会议上发表文章120余篇。出版卫星光通信专著2部，获授权国家/GF发明专利80余项。先后参加了多项有关卫星光通信等研究课题。

第1 章卫星光通信发展概述.............................................................. 1
1.1 卫星光通信技术特点.............................................................. 1
1.2 卫星光通信技术发展历程......................................................... 5
1.2.1 国外发展历程................................................................ 6
1.2.2 国内发展历程................................................................ 9
1.3 典型在轨试验分析................................................................. 10
1.3.1 美国星地激光通信试验..................................................... 10
1.3.2 欧空局星间激光通信试验.................................................. 12
1.3.3 中国低轨星地激光通信试验............................................... 14
1.3.4 中国高轨星地激光通信试验............................................... 17
1.4 捕获跟踪技术发展趋势............................................................ 18
1.5 组网技术发展情况................................................................. 20
1.5.1 美国星链..................................................................... 20
1.5.2 中国星网..................................................................... 23
1.5.3 组网技术发展趋势.......................................................... 25
第2 章卫星空间链路特性................................................................. 28
2.1 卫星平台技术....................................................................... 28
2.1.1 卫星平台的基本组成....................................................... 30
2.1.2 卫星的地面覆盖特性....................................................... 33
2.2 卫星载荷技术....................................................................... 39
2.2.1 地球静止轨道卫星载荷..................................................... 39
2.2.2 中低轨卫星载荷............................................................. 49
2.3 星间激光通信链路特性............................................................ 62
2.3.1 星间激光通信链路分类..................................................... 62
2.3.2 轨间激光通信链路几何特征............................................... 62
2.3.3 层间激光通信链路几何特征............................................... 67
2.3.4 多普勒频移对星间激光通信链路的影响.................................. 69
2.4 星间激光接入链路的特性......................................................... 70
2.4.1 接入实现方案................................................................ 70
2.4.2 星链轨道分析................................................................ 70
2.4.3 中点接入模式................................................................ 71
2.4.4 端点接入模式................................................................ 78
2.4.5 模式对比..................................................................... 78
2.5 小结................................................................................. 79
第3 章卫星光通信终端技术.............................................................. 80
3.1 终端总体设计....................................................................... 80
3.1.1 点对点激光通信终端与组网激光通信终端对比......................... 81
3.1.2 组网激光通信终端.......................................................... 82
3.1.3 设计原则..................................................................... 83
3.1.4 元器件选择.................................................................. 84
3.1.5 材料选择..................................................................... 91
3.2 光机单元设计....................................................................... 92
3.2.1 前光路........................................................................ 92
3.2.2 后光路........................................................................ 93
3.2.3 热分析........................................................................ 98
3.2.4 力学分析..................................................................... 99
3.3 捕跟单元设计....................................................................... 100
3.3.1 粗瞄结构..................................................................... 100
3.3.2 精瞄结构..................................................................... 120
3.3.3 提前瞄准单元................................................................ 127
3.3.4 捕跟探测装置................................................................ 127
3.4 通信单元设计....................................................................... 129
3.4.1 激光收发组件................................................................ 129
3.4.2 光放大组件.................................................................. 130
3.4.3 信号处理组件................................................................ 132
3.4.4 路由转发装置................................................................ 133
3.5 主控单元设计....................................................................... 134
3.5.1 时序控制..................................................................... 134
3.5.2 遥测遥控..................................................................... 134
3.5.3 捕获、跟踪和顶层控制..................................................... 135
3.6 小结................................................................................. 136
第4 章星间激光通信链路系统技术...................................................... 138
4.1 链路系统总体设计................................................................. 138
4.1.1 功率冗余..................................................................... 138
4.1.2 太阳光规避.................................................................. 139
4.2 捕获链路............................................................................ 141
4.2.1 在轨误差标定与捕获....................................................... 142
4.2.2 捕获原理和捕获流程....................................................... 145
4.2.3 无信标捕获系统典型方案.................................................. 150
4.2.4 光束扫描理论模型.......................................................... 156
4.2.5 外部环境扰动的影响....................................................... 163
4.3 跟踪链路............................................................................ 173
4.3.1 系统建模..................................................................... 174
4.3.2 跟踪控制..................................................................... 177
4.3.3 系统带宽和稳定性分析..................................................... 179
4.3.4 基于跟踪微分器的线性自抗扰复合轴控制方法......................... 181
4.4 组网链路............................................................................ 182
4.4.1 多向捕获跟踪................................................................ 182
4.4.2 自适应调节.................................................................. 185
4.4.3 通信算法..................................................................... 186
4.4.4 通信测距一体化............................................................. 189
4.5 小结................................................................................. 191
第5 章星地激光通信链路系统技术...................................................... 192
5.1 大气湍流对激光组网数据下行传输的影响...................................... 192
5.1.1 大气湍流基本概念.......................................................... 193
5.1.2 大气湍流模型................................................................ 205
5.1.3 大气湍流信道模型.......................................................... 209
5.1.4 激光通信链路大气湍流信道建模.......................................... 212
5.2 天地网络星地链路总体设计...................................................... 226
5.2.1 地面站选址.................................................................. 226
5.2.2 地面终端设计................................................................ 227
5.2.3 配套设计..................................................................... 243
5.3 自适应光信号补偿技术............................................................ 243
5.3.1 自适应光信号补偿技术的工作原理....................................... 243
5.3.2 自适应光学系统的性能分析............................................... 245
5.3.3 大气湍流下的卫星激光网络系统级补偿技术............................ 252
5.4 小结................................................................................. 255
第6 章卫星光通信组网链路地面测试技术.............................................. 256
6.1 在轨可靠性保障技术.............................................................. 256
6.1.1 在轨载荷器件性能退化因素分析.......................................... 258
6.1.2 力学环境试验................................................................ 293
6.1.3 热学环境试验................................................................ 294
6.1.4 电磁兼容性试验............................................................. 298
6.2 星间激光通信链路地面等效测试................................................. 301
6.2.1 远场等效模拟和激光信道模拟............................................ 301
6.2.2 卫星平台姿轨模拟器....................................................... 305
6.2.3 微振动模拟器................................................................ 306
6.3 星地激光通信链路地面等效测试................................................. 306
6.3.1 测试项目..................................................................... 306
6.3.2 测试设备..................................................................... 306
6.3.3 测试基本流程................................................................ 309
6.3.4 典型测试项目的测试步骤.................................................. 311
6.4 通信和组网链路性能测试......................................................... 318
6.4.1 地面演示验证系统介绍..................................................... 318
6.4.2 试验方案..................................................................... 323
6.5 小结................................................................................. 330
第7 章总结................................................................................. 332