CN108847889A - 一种基于光梳探测的高可靠空间光网络通信终端及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光梳探测的高可靠空间光网络通信终端及方法，包括将通信终端和对端在星间通信或星地通信之前进行光束指向对准；根据对端发射的信号分离出信号光和飞秒光梳信号，并将分离出的信号光转换形成电信号并进行解调；及将分离出的飞秒光梳信号反射至通信终端；判断通信终端是否处于星地光信道探测状态：若是，则进入星地光信道探测状态：将分离出的飞秒光梳信号转变为电信号后进行采样，并对信道衰减和信道界面突变监测，根据监测结果将信号调制在飞秒光梳上；并汇总统计各个链路的信道质量；否则，则进入星间测距状态：将分离出的飞秒光梳信号与参考光梳进行干涉，以获得星间测距信号。本发明提升了空间光网络的可靠性和灵活性。

Description

一种基于光梳探测的高可靠空间光网络通信终端及方法

技术领域

本发明属于空间激光通信技术领域，涉及一种基于光梳探测的高可靠空间光网络通信终端及方法。

背景技术

空间光通信具有通信容量大、数据传输速率高、收发系统体积小以及抗电磁干扰能力强等优势，已成为未来空间宽带通信的重要技术手段。基于小卫星星群编队的分布式观测，可实现比以往更高测量精度的对地观测，其中各个小卫星之间的时间同步与宽带通信是实现分布式观测的技术基础。而星地通信受到大气衰减、湍流的影响，对高可靠通信影响很大。

一种基于光梳探测的高可靠空间光网络通信方法及终端通过将飞秒光梳模块集成在光通信终端中，可与光通信终端共用光束指向瞄准机构。通过指令控制，终端可工作在星间精密测距状态或光信道探测状态。当终端工作在星间精密测距状态时，利用飞秒光梳模块的高频率稳定性和相干性，可实现高精度的星间测距。当终端工作在光信道探测状态时，通过高峰值功率高信噪比的飞秒脉冲，可实现星地大气信道的探测，在汇总所有星地链路的信道质量之后，可进行高可靠路由算法选路，将服务质量要求最高的业务分配到最可靠的链路上，从而实现高可靠的天地一体化星间组网。此外，当星地链路质量恶化时，可将必须确保的低速数据调制在光梳上，从而进一步提升通信质量，较好的解决了高可靠空间光网络通信的问题。

目前关于空间光通信终端和光梳测距的研究比较多，但是可实现光梳测距和空间光通信一体化，且通过光梳实现信道估计，并将其用于高可靠路由重构的研究比较少。

专利“一种空间光通信方法及空间光通信系统”(CN201611010356.9)公开了一种空间光通信系统，利用星载导航接收机周期性地更新卫星星历信息，对低轨卫星进行定位，根据不同卫星的空间位置信息，调整指向，从而实现星间组网。其采用定位体制为卫星微波信号定位体制，测距精度远低于本专利采用的光梳测距的精度。

专利“基于光频率梳的超高速空间相干光通信方法和系统”(CN201610153188.2)公开了一种基于光频率梳的超高速空间相干光通信方法和系统。该方法利用光频率梳发生器及光频率梳放大整形单元产生多波长自相关光源，将多路高速通信电信号调制到上述光源形成多波长自相关高速二进制相移键控(BPSK)相干光信号。主要采用了光梳作为光通信终端的信号源，实现在多个波长的相干光源上调制同样的信号。此专利不具有光梳测距功能，也不具备大气信道探测和高可靠路由重构功能。

通过国内外专利和文献检索，未见可实现光梳测距和空间光通信一体化，且通过光梳实现信道估计，并将其用于高可靠路由重构的方法和终端的报道。

发明内容

发明所要解决的课题是，解决星间精密测距和宽带通信一体化问题和星地光链路可靠性不足问题。

用于解决课题的技术手段是，本发明提出一种基于光梳探测的高可靠空间光网络通信终端及方法，采用光梳作为星地空间光通信信道探测和星群内精密测距的重要手段，同时空间光通信部分和光梳探测测距部分共用一套光学跟瞄装置，实现了高可靠通信。

本发明提出的一种基于光梳探测的高可靠空间光网络通信终端，包括：控制单元、飞秒光梳模块、信号调制解调模块、发射光路、伺服驱动、CCD摄像头、指向对准系统、望远镜系统、分光镜A、接收光路、光电探测模块、信号光源、信标光源、反光镜、分光镜B、路由计算模块；所述信号光源产生的信号光，由信号调制解调模块调制后经发射光路到达分光镜A；所述飞秒光梳模块产生的飞秒光梳信号由信号调制解调模块调制和发射光路进行功率调整后与信号光合成，并经过反光镜A到达指向对准系统，及穿过接收光路与信标光源产生的信标光合成后通过望远镜系统发射至对端；所述望远镜系统接收对端反射的信号光、信标光和飞秒光梳信号，在接收光路将信标光分离出并经反光镜发射到CCD摄像头进行数据采集，控制单元根据采集数据进行残差计算得到残差控制信号并据此控制伺服驱动调整指向对准系统对准对端；

以及，所述对端反射的信号光和飞秒光梳信号经过接收光路、分光镜A、分光镜B后分离，分离出的信号光经过光电探测模块形成电信号，经信号调制解调模块对电信号解调得到对端所发送信号及信号误码率；及分离出的飞秒光梳信号被分光镜B反射至飞秒光梳模块；当飞秒光梳模块处于星间测距状态时，将分离出的飞秒光梳信号与参考光梳进行干涉，以获得星间测距信号；当飞秒光梳模块处于星地光信道探测状态时，将分离出的飞秒光梳信号经光电探测模块转变为电信号后进行采样，并对所采样电信号的信道衰减和信道界面突变监测得到监测结果，信号调制解调模块根据监测结果和解调所得信号误码率将发射信号调制在飞秒光梳上，且路由计算模块汇总统计各个链路的信道质量并由信号调制解调模块发送至控制单元。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述通信终端产生的信号光、飞秒光梳信号和信标光分别设置为不同的波长。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述信号调制解调模块根据解调所得信号误码率与设置门限的大小，控制对信号发射速率调制。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述信号调制解调模块还包括根据监测结果调整飞秒光梳模块的信号发射功率。

本发明提出的一种基于光梳探测的高可靠空间光网络通信方法，包括以下步骤：

将通信终端和对端在星间通信或星地通信之前进行光束指向对准；

根据对端发射的信号分离出信号光和飞秒光梳信号，并将分离出的信号光转换形成电信号并进行解调得到对端所发送信号及信号误码率；及将分离出的飞秒光梳信号返回至通信终端；

判断通信终端是否处于星地光信道探测状态：

若是，则进入星地光信道探测状态：将分离出的飞秒光梳信号转变为电信号后进行采样，并对所采样电信号的信道衰减和信道界面突变监测，根据监测结果和解调所得信号误码率将发射信号调制在飞秒光梳上；并汇总统计各个链路的信道质量；

否则，则进入星间测距状态：将分离出的飞秒光梳信号与参考光梳进行干涉，以获得星间测距信号。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述方法中根据监测结果和解调所得信号误码率将信号调制在飞秒光梳上，具体为：

监测解调所得对端发送信号的信号误码率，判断其与设置门限的大小：

当信号误码率大于设置门限时，计算信道衰减和传输界面突变并记录；当信号误码率小于设置门限时，降低信号发射速率及计算信道衰减和传输界面突变并记录；

当信号误码率小于设置门限通信速率低于设定值时，将信号调制在飞秒光梳上，及计算信道衰减和传输界面突变并记录。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述方法中还包括根据监测结果调整通信终端中飞秒光梳信号的发射功率。

发明效果为：

本发明的基于光梳探测的高可靠空间光网络通信终端及方法，采用光梳作为星地空间光通信信道探测和星群内精密测距的重要手段，同时空间光通信部分和光梳探测测距部分共用一套光学跟瞄装置，实现了高可靠通信，多功能，集成化的通信终端，提升了未来空间光网络的可靠性和灵活性。本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.可根据指令切换终端处于星间精密测距状态或者光信道探测状态。星间精密测距状态适合于星间通信，特别是同时需要宽带星间通信和星间测距的高精度分布式对地观测时。光信道探测状态适合于宽带高可靠星地通信时，可在通信的同时检测信道状态。

2.通过在光通信终端里集成飞秒光梳模块，可采用一套光束跟瞄装置同时实现星间精密测距和宽带通信，减少了终端体积、重量、功耗，减轻了星上资源压力。同时将光梳、信号光和信标光分别设置为不同的波长，可采用分光装置将不同波长光信号高隔离度的分开。

3.在星地通信时，用高峰值功率的飞秒脉冲探测信道质量，并计算信道衰减和突变界面，当信道劣化后，可将低速数据调制在光梳上，提升信号灵敏度。同时，通过汇总多条星地链路的信道质量，可实现高可靠的星地/星间路由选路。

附图说明

图1为本发明通信终端结构示意图。

图2为本发明通信方法的流程示意图。

具体实施方式

以下，基于附图针对本发明进行详细地说明。

如图1所示，本发明设计了一种基于光梳探测的高可靠空间光网络通信终端，包括：控制单元101、飞秒光梳模块102、信号调制解调模块103、发射光路105、伺服驱动106、CCD摄像头107、指向对准系统108、望远镜系统109、分光镜A 110、接收光路111、光电探测模块112、信号光源113、信标光源114、反光镜115、分光镜B 116、路由计算模块117。

根据星间和星地的不同应用环境，飞秒光梳模块102能够工作在星间测距状态或星地信道探测状态。光梳具有良好的时间稳定性和频率稳定性，通过与参考光梳干涉能够实现精密测距。光梳具有窄脉宽和高峰值功率的特性，通过收集反射信号，能够探测信道质量。当低速信号调制在光梳上时，可进一步提升接收机的灵敏度。

所述装置的工作原理为：

当终端进行星间通信时，飞秒光梳模块102处于星间精密测距状态。所述信号光源113产生的直流信号光，由信号调制解调模块103调制后经发射光路105到达分光镜A 110；所述飞秒光梳模块102产生的飞秒光梳信号由信号调制解调模块103调制和发射光路105进行功率调整后与信号光合成在一起，并经过反光镜A 110到达指向对准系统108，再穿过接收光路111与信标光源114产生的信标光合成在一起后，通过望远镜系统109发射至对端。

所述望远镜系统109接收对端反射的信号光、信标光和飞秒光梳信号，在接收光路111将信标光分离出来，并经过反光镜115发射到CCD摄像头107上进行数据采集，控制单元101根据采集数据进行残差计算得到残差控制信号并据此控制伺服驱动106调整指向对准系统108对准对端，保证两台通信终端始终处于对准状态。

以及，所述对端反射的信号光和飞秒光梳信号经过接收光路111、分光镜A 110、分光镜B 116后分离，分离出的信号光经过光电探测模块112形成电信号，经信号调制解调模块103对电信号解调恢复，得到对端所发送信号及信号误码率，实现星间通信；及分离出的飞秒光梳信号被分光镜B 116反射至飞秒光梳模块102；当飞秒光梳模块102处于星间测距状态时，将分离出的飞秒光梳信号与参考光梳进行干涉，以获得星间测距信号。

当终端进行星地通信时，飞秒光梳模块102处于星地光信道探测状态时，由于采用了同一套光束指向对准装置，信标光，信号光，飞秒光梳信号的发射，接收和分离与上述星间通信时相同。以及，飞秒光梳模块102处于星地光信道探测状态时，将分离出的飞秒光梳信号经光电探测模块112转变为电信号后进行高速电采样，实现对信道衰减和信道界面突变监测。信号调制解调模块103根据监测结果和解调所得信号误码率将发射信号调制在飞秒光梳上，且路由计算模块117汇总统计各个链路的信道质量并由信号调制解调模块103发送至控制单元101。

即当信道质量劣化致门限时，信号调制解调模块直接将低速信号调制在飞秒光束上，以确保可靠通信。通过汇总统计各个链路的信道质量，路由计算模块可将不同服务质量要求的业务调度到不同路由上。

其中，所述信号调制解调模块103，根据监测解调所得的对端发送信号的信号误码率与设置门限的大小，控制对信号发射速率调制。在星间通信或星地间信道质量良好时，将高速信号调制在信号光源113上，当星地信道质量变差并达到阈值时，将信号速率降低并调制在飞秒光梳模块102上。并且，根据监测结果调整飞秒光梳模块的发射功率。

采用的路由计算模块117根据星地和星间的达到误码门限通信速率及星地间的信道衰减和反射数据，分别为链路带宽和可靠性进行赋值。通过为高服务质量等级数据优先预约高可靠性带宽，以提升整个通信链路的可靠性。

优选地，本发明中同时将光梳、信号光和信标光分别设置为不同的波长，可采用分光装置将不同波长光信号高隔离度的分开。

本发明还提出一种基于光梳探测的高可靠空间光网络通信方法，其可用于上述的通信终端和对端之间的通信。具体地，本发明方法包括以下步骤：

首先，两台终端在星间通信或星地通信之前都首先需要实现光束指向对准。

将通信终端和对端在星间通信或星地通信之前进行光束指向对准：双方的通信终端的信标光源产生的信标光经过望远镜向对方的不确定区域发射，并按照预定顺序扫描，通信终端收到信标光之后，通过接收光路和反射镜将信标光照射到CCD摄像头上，摄像头将采到的数据发给控制单元，控制单元根据采集数据进行残差计算，得到残差控制信号并据此控制伺服驱动调整指向对准系统对准对端，保证两台通信终端始终处于对准状态。

当两台终端完成捕获对准之后，将进入连续持续的跟踪状态，同时两台终端进入星地和星间通信阶段，即通信终端根据对端发射的信号分离出信号光和飞秒光梳信号，并将分离出的信号光转换形成电信号并进行解调得到对端所发送信号及信号误码率；及将分离出的飞秒光梳信号反射至通信终端；通信终端利用飞秒光梳模块可工作在星间测距状态或星地信道探测状态，并判断通信终端是否处于星地光信道探测状态：

若是，则进入星地光信道探测状态：将分离出的飞秒光梳信号转变为电信号后进行采样，并对采用后的电信号进行信道衰减和信道界面突变监测，根据监测结果和解调所得信号误码率将发射信号调制在飞秒光梳上；并汇总统计各个链路的信道质量；

否则，则进入星间测距状态：将分离出的飞秒光梳信号与参考光梳进行干涉，以获得星间测距信号。

如图2所示，其通信实施流程包括以下流程：

首先进行初始化。根据轨道位置和地面发来指令设置通信终端的飞秒光梳模块处于星间精密测距状态还是光信道探测状态。飞秒光梳模块的波长定为λ₁，光通信终端的波长定为λ₂；设置初始飞秒光梳峰值功率为P₁，光通信终端发射功率为P₂，初始数据速率为1.25Gb/s，信号调制格式为强度调制/直接检测IM/DD。然后执行以下步骤：

步骤1：飞秒光梳模块初始化设置。本方法主要处于星间精密测距状态或光信道探测状态，当星地或星间的链路建立完成之后，根据收到的指令进行检测，通信终端中飞秒光梳模块是否处于光信道探测状态，即星地通信状态，当处于光信道探测状态时进入步骤2，若不处于光信道探测状态时进入步骤7。

步骤2：将飞秒光梳峰值功率P₁和光通信终端发射功率P₂设为最大，同时检测对端发来的信号，判断信号误码率是否劣于设置门限10^-4，如果信号质量较好，信号误码率优于设置门限10^-4，则转入步骤3，如果信号质量较差，误码率劣于设置门限10^-4，则转入步骤4。

步骤3：在误码率优于设置门限10^-4时，认为通信状态良好，保持通信，飞秒光梳模块通过接收反射的飞秒光梳信号计算信道衰减和传输界面突变，并记录。在保持通信的同时，返回步骤1，进行接收状态监测。

步骤4：此时认为信道质量较差，双向以每秒0.5倍原速率/s的步进降低信号发射速率,飞秒光梳模块同时通过接收反射的飞秒光梳信号计算信道衰减和传输界面的突变，并记录，并进入步骤5。

步骤5：判断通信速率是否低于设定值50Mbaud/s，且误码率劣于设置门限10^-4，如果都是进入步骤6，如果不是则进入步骤2。

步骤6：此状态时，仅仅降低信号速率仍无法实现通信，信号调制解调模块将发射信号调制在飞秒光梳上，以提升接收信号的灵敏度，并以每10s降到0.5倍原速率的速度降低信号发射速率，当误码率优于10^-5以1.1倍原速率/10s为步进提升速率直至误码率接近门限10^-4。飞秒光梳模块通过接收反射的飞秒光梳信号计算信道衰减和传输界面的突变，并记录。并跳转到步骤1，进行状态监测。

步骤7：将飞秒光梳功率P₁设为0，当飞秒光梳模块处于星间精密测距状态，进入步骤8，否则进入步骤1。

步骤8：飞秒光梳功率P₁不变，光通信终端发射功率P₂设为最大，如果检测的信号误码率劣于门限10^-4，转入步骤10，否则转入步骤9。

步骤9：飞秒光梳功率P₁打开并调到最大，接收光梳反射信号，在确保测距精度的前提下，以2dBm/s为步进降低光梳测距信号发射功率。达到测距精度之后，调整飞秒光梳模块的功率，以1dBm/s步进将测距精度保持在±10％的范围内，并跳转到步骤8进行状态监测。

步骤10：以每秒0.5倍原速率/s的步进降低信号发射速率，收端同步降低发射速率，以达到星间通信的误码率门限，并转入步骤8。

并且，进行高可靠路由配置。根据星地和星间的通信速率和误码数据，及星地间的信道衰减和反射数据，分别为链路带宽和可靠性进行赋值。采用为高服务质量等级数据优先预约高可靠性带宽，保障高质量数据的通信可靠性。

综上，本发明采用光梳作为星地空间光通信信道探测和星群内精密测距，同时空间光通信部分和光梳探测测距部分共用一套光学跟瞄装置，实现了高可靠通信，多功能，集成化的通信终端，提升了未来空间光网络的可靠性和灵活性。

需要说明的是，以上说明仅是本发明的优选实施方式，应当理解，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明技术构思的前提下还可以做出若干改变和改进，这些都包括在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于光梳探测的高可靠空间光网络通信终端，其特征在于，包括：控制单元、飞秒光梳模块、信号调制解调模块、发射光路、伺服驱动、CCD摄像头、指向对准系统、望远镜系统、分光镜A、接收光路、光电探测模块、信号光源、信标光源、反光镜、分光镜B、路由计算模块；所述信号光源产生的信号光，由信号调制解调模块调制后经发射光路到达分光镜A；所述飞秒光梳模块产生的飞秒光梳信号由信号调制解调模块调制和发射光路进行功率调整后与信号光合成，并经过反光镜A到达指向对准系统，及穿过接收光路与信标光源产生的信标光合成后通过望远镜系统发射至对端；所述望远镜系统接收对端反射的信号光、信标光和飞秒光梳信号，在接收光路将信标光分离出并经反光镜发射到CCD摄像头进行数据采集，控制单元根据采集数据进行残差计算得到残差控制信号并据此控制伺服驱动调整指向对准系统对准对端；

以及，所述对端反射的信号光和飞秒光梳信号经过接收光路、分光镜A、分光镜B后分离，分离出的信号光经过光电探测模块形成电信号，经信号调制解调模块对电信号解调得到对端所发送信号及信号误码率；及分离出的飞秒光梳信号被分光镜B反射至飞秒光梳模块；当飞秒光梳模块处于星间测距状态时，将分离出的飞秒光梳信号与参考光梳进行干涉，以获得星间测距信号；当飞秒光梳模块处于星地光信道探测状态时，将分离出的飞秒光梳信号经光电探测模块转变为电信号后进行采样，并对所采样电信号的信道衰减和信道界面突变监测得到监测结果，信号调制解调模块根据监测结果和解调所得信号误码率将发射信号调制在飞秒光梳上，且路由计算模块汇总统计各个链路的信道质量并由信号调制解调模块发送至控制单元。

2.根据权利要求1所述的基于光梳探测的高可靠空间光网络通信终端，其特征在于，所述通信终端产生的信号光、飞秒光梳信号和信标光分别设置为不同的波长。

3.根据权利要求1所述的基于光梳探测的高可靠空间光网络通信终端，其特征在于，所述信号调制解调模块根据解调所得信号误码率与设置门限的大小，控制对信号发射速率调制。

4.根据权利要求1所述的基于光梳探测的高可靠空间光网络通信终端，其特征在于，所述信号调制解调模块还包括根据监测结果调整飞秒光梳模块的信号发射功率。

5.一种基于光梳探测的高可靠空间光网络通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

将通信终端和对端在星间通信或星地通信之前进行光束指向对准；

根据对端发射的信号分离出信号光和飞秒光梳信号，并将分离出的信号光转换形成电信号并进行解调得到对端所发送信号及信号误码率；及将分离出的飞秒光梳信号返回至通信终端；

判断通信终端是否处于星地光信道探测状态：

若是，则进入星地光信道探测状态：将分离出的飞秒光梳信号转变为电信号后进行采样，并对所采样电信号的信道衰减和信道界面突变监测，根据监测结果和解调所得信号误码率将发射信号调制在飞秒光梳上；并汇总统计各个链路的信道质量；

否则，则进入星间测距状态：将分离出的飞秒光梳信号与参考光梳进行干涉，以获得星间测距信号。

6.根据权利要求5所述的基于光梳探测的高可靠空间光网络通信方法，其特征在于，所述方法中根据监测结果和解调所得信号误码率将信号调制在飞秒光梳上，具体为：

监测解调所得对端发送信号的信号误码率，判断其与设置门限的大小：

当信号误码率大于设置门限时，计算信道衰减和传输界面突变并记录；当信号误码率小于设置门限时，降低信号发射速率及计算信道衰减和传输界面突变并记录；

当信号误码率小于设置门限通信速率低于设定值时，将信号调制在飞秒光梳上，及计算信道衰减和传输界面突变并记录。

7.根据权利要求5所述的基于光梳探测的高可靠空间光网络通信方法，其特征在于，所述方法中还包括根据监测结果调整通信终端中飞秒光梳信号的发射功率。