摘要:光无线通信以其带宽高、保密性好、成本低、部署快捷等优点,在许多领域具有重要的应用前景。本文首先介绍了光无线通信的技术特点和优势,然后分析了APT 系统结构与关键技术。
关键词:光无线通信;APT;系统结构;关键技术
一、光无线通信概述
通信技术一直是向着扩大通信距离、增大通信容量和提高传输能力的方向发展的。在增大信道容量的方面,最初是通过复用来寻求出路,但是复用数总是有限的。因此,光频段的使用解决了这个问题,为通信容量提供了比微波频率大3～4个数量级的频带,这正是激光通信的主要优点之一。而且由于激光具有高度的定向性,使的激光通信的保密性高,可有效地提高抗干扰、防窃听的能力等等,此外,激光进行卫星间通信减小了卫星通信设备的体积和重量,减少地面站,最少可只有一个地面站。这一系列的优势一直得到众多国家的青睐,并积极计划将这种技术应用于军事和商业。在光频段进行通信有以下优点:
(1) 信息容量大,传输速率高
激光的波长极短,通常使用的激光器的波长为在 0.63μm(He-Ne 激光器)至10.6μm(CO2 激光器)的范围,比较典型的有 0.85μm,1.3μm,或 1.55μm 等,其频率可高达1014Hz 以上。对于任何通信系统,传输的信息量大小直接和载波的调制带宽有关。通常,调制带宽只是载波频率的一个固定百分比,增加载波频率理论上可以增大可利用的传输带宽,也就增加了整个系统的信息容量。由于光波频段的频率比无线电射频波段的频率可高5个数量级左右,所以,光波频段所具有的可利用带宽大约是无线电射频波段的105倍。因而,利用激光作为载波可有效提高整个通信系统的信息容量和传输速率。特别是在大容量信息传输时,光波通信相对具有巨大的优势。
(2) 信道隐蔽性好,保密、抗干扰能力强,电子对抗能力强
在空间激光通信中,在空间传播的包含有信息的激光束的束散角很小,通常在微弧度(μrad)至毫弧度(mrad)的量级(而微波系统和毫米波系统的波束发散角一般都在度的量级)。在实际应用时,敌方如果想探测、侦察到我方的通信信息,则必须在空间光束发散角的有效区间内对信息光束进行截获。显然,这是十分困难的,因此,空间激光通信系统具有很好的信道隐蔽性。还有,激光信息不会受到通常意义上的电磁干扰。所以,空间激光通信具有很好的保密、抗干扰能力、电子对抗能力和自身抗打击能力。
(3) 系统功耗小、体积小、重量轻、相对性价比高
激光优良的定向传输性能使得其在信息传播中可采用极小束散角的激光束,这有效地提高了信息传输的能量效率,因此,可实现用较小的功率传输大容量的信息。另外,由于光波的工作波长很短,激光通信系统中的器件和零部件的尺寸比其它波段使用的电子器件的尺寸要小得多。因此,激光通信系统的功耗、体积和重量都明显小于射频或微波通信系统。在同样的信息容量和传输速率情况下,激光通信系统与射频频段的其它通信系统相比具有更高的相对性价比。
二、APT系统结构分析
空间光通信中的APT系统一般采用复合控制系统结构,我们可以把APT系统归纳分为以下几个部分:
(1) 粗跟瞄系统
粗跟瞄系统主要包括一个两轴或者三轴万向支架,一个捕获传感器,一个轴角编码器以及伺服驱动系统。通信开始之前,卫星需要在一个较大的范围内搜索目标,搜索的范围通常要达±1°—±20°或者更大。扫描过程的第一步就是确定扫描的立体角范围,我们称之为不确定区域。这可以由GPS接收机中或者上位机给出导航卫星的星历表,从而确定扫描的大致范围。星地激光通信而言,两者的位置是相对固定的,那么一但获得卫星的星历,其扫描区域就确定下来了。这时系统工作在开环状态下,在不确定区域内由伺服电机驱动望远镜进行扫描。
驱动伺服系统采用步进电机,通过对步进电机的力矩控制,实现步距的精确控制和粗跟踪环的低频干扰抑制。当接收端系统一旦捕获到目标,便立即停止快速扫描,双方天线互逆调整,瞄准目标。当光斑到达四象限 APD中心时,搜索完成。
(2) 精跟瞄系统
精跟瞄系统主要包括一个四象限探测器,一个快速反射镜,一套驱动执行机构。当系统运行在精跟踪时处于闭环工作方式,根据四象限探测器的信号,计算出相应的位置误差信息从而控制快速反射镜跟踪入射信标光进行跟踪,从而形成精跟踪环。在精跟踪环需要解决的一个重要问题就是如何实现高带宽和高精度的跟踪。
(3)预瞄准机构预瞄准机构也是由一个快速反射镜及其执行机构加上一个四象限传感器构成的。预瞄角可以根据卫星的姿态、速度和星历表提前计算出来,作为预瞄准控制的命令信号。采用开环控制方式,使出射光预先偏离入射光这样一个角度,从而使出射光可以精确地瞄准对方。
(4) 传感器
在卫星激光通信中,ATP系统的传感器包括三种:捕获传感器、跟踪传感器和通信传感器。捕获传感器一般采用CCD,视场较大,帧频较低,通常为几十帧,因此它主要用于捕获和粗跟踪阶段。跟踪传感器一般采用四象限探测器,它的响应速度很快,这使它的采样频率可以做到千赫兹以上;另外,它的灵敏度也很高,但它的视场较小,因此它主要用于精跟踪阶段。通信传感器一般采用灵敏度更高的APD四象限探测器。
三、APT系统的基本工作流程
APT 系统的工作过程分为四个阶段,分别是初始化、捕获、对准和跟踪。可分为两种工作模式,即扫描模式和动态跟踪模式。以 A、B分别表示需建立光通信路的两个终端,A、B端机相互捕获、对准、跟踪的过程如下:
(1) 首先由卫星姿态控制,确定不确定的视场范围。
系统工作在扫描模式下,A、B端同时发出信标光在不确定的视场范围内进行扫描,不确定视场的大小决定于卫星定位精度、姿态控制精度以及信标光发散角的大小。
(2)A端接收到B端的信标光,并在信号达到一定的检测门限后,停止扫描。A端探测器(CCD 阵列) 输出位置误差信号,经处理后送给万向支架控制器,驱动万向支架转动,进一步精确对准B端。
(3)A端和B 端进一步调整,达到捕获、对准的目的。
(4)以上工作过程在开环状态进行,当通信链路稳定后,系统切换到动态跟踪工作模式,在闭环状态下保证链路处于正常、稳定的动态平衡状态。
当通信两端在各自的轨道上运行时,从对方的角度看,它们都存在着两种不确定性:一种是位置的不确定性,另外一种是视轴方向的不确定性。这两种不确定性,主要是后一种不确定性,增加了对方的搜索范围(通常在10mrad左右)。但是,发射端的光束宽度和接收端的探测器视场一般只有几个或几十个微弧度,只能覆盖这个范围的一小部分。因此,在捕获过程中,发射端的信标光束和接收端的探测器在各自的搜索范围内进行扫描。前者作慢速扫描,后者作快速扫描。
四、APT系统的关键技术
APT系统主要由光学天线、位置误差信号提取、控制计算机和伺服系统等组成。其捕获、对准、跟踪精度主要由以上几个部分的精度决定,其中位置误差信号提取这一部分又是非常关键的。它处于光学部分和伺服系统之间,其精度决定了整个APT系统的精度,是APT系统中关键技术之一,而要实现可靠的误差信号提取,一个性能优越的光电位置传感器是非常必要的。如何选取适合的探测器件,如何提高探测器的分辨率和灵敏度是系统设计时首先必须考虑的关键问题,空间光通信的APT系统是在遥远距离上的通信,是微弱信号的处理,因而对探测器的灵敏度要求很高,对跟踪精度的要求也相当高,从而对探测器的分辨率的要求也很高。目前,在 APT 系统中常用的光电探测器件有限探测器件(QD)、位置敏感探测器件(PSD)、电荷耦合器件(CCD) 等。上述的几种探测器件中,CCD一般用来进行粗扫描,对光束进行捕获,而QD一般用来进行精扫描,完成跟踪、定位的功能。APT系统的主要技术指标有:光束发散角、捕获范围、跟踪精度等。
参考文献
[1] 谢木军, 马佳光, 傅承毓等. 空间光通信中的精密跟踪瞄准技术. 光电工程, 2000
[2] 李晓峰, 胡渝. 空间光通信ATP系统设计中的基本概念及关键参数探讨. 应用光学. 2003
[3] 熊金涛, 胡成. 空间激光通信APT系统误差信号的特性分析. 电子科技大学学报,2001