CN1819501A - 中继卫星与低轨道卫星间高码率通信系统 - Google Patents

中继卫星与低轨道卫星间高码率通信系统 Download PDF

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Abstract

中继卫星与低轨道卫星间高码率通信系统，本发明涉及中继卫星与低轨道卫星间通信系统。它克服了现有技术通信数据率较低的缺陷。它由信号发射装置(i)和信号接收装置(ii)组成，(i)由卫星平台信号源、把通信信号调制到N个信号组的调制驱动控制电路、分别输入N个信号组中的一组信号并分别把该组信号转化为激光信号输出的一路光源至N路光源、完成功率放大的一路放大器至N路放大器、进行合成光束的波分复用器、发射光路(6)和发射天线(7)组成；(ii)由接收天线(8)、接收光路(9)、接收激光束并把其分解成N组激光信号的解复用器、分别把激光信号转化为电信号的一路探测器至N路探测器、实现N组电信号解调制还原、放大的放大控制电路；和卫星平台接收器组成。

Description

中继卫星与低轨道卫星间高码率通信系统
技术领域
本发明涉及中继卫星与低轨道卫星间通信系统。
背景技术
与传统的微波通信系统相比，卫星间光通信具有多种优点，包括高数据率的传输能力、低功率终端的装置组成和安全且抗干扰通信的能力。美国、欧洲、日本、俄罗斯和中国等相继开展了卫星光通信技术研究。由于受到半导体激光器件和瞄准捕获跟踪关键技术发展的限制，国外已经完成空间试验的光通信终端多采用短波长。例如，欧洲空间局在2001年进行的中继卫星Artemis与低轨道卫星SPOT4间光通信，激光波长0.8μm附近，数据率为2Mbps(前向)和50Mbps(返向)。日本KIRARI卫星(低轨道卫星)与欧洲空间局Artemis卫星于2005年12月实现了首次双向光学链路通信。通信波段为0.8μm附近，数据率2Mbps(前向)和50Mbps(返向)。
可见，尽管卫星光通信的空间试验取得了一定的成功，但通信的数据率过低，难以满足现代通信对数据率不断提高的要求。其根本原因在于中继卫星与低轨道卫星间的距离较远(4万公里以上)，同时受到激光发射功率和接收天线尺寸的限制，很难实现较高的通信数据率。一般来说，只有将通信容量提高到1Gbps以上，卫星光通信才能真正比微波通信具有优势。
发明内容
本发明的目的是提供一种中继卫星与低轨道卫星间高码率通信系统，以克服现有中继卫星与低轨道卫星间通信系统的通信数据率较低的缺陷。它由信号发射装置i和信号接收装置ii组成，信号发射装置i由
完成通信数据编码的卫星平台信号源1；
接收卫星平台信号源1输出的通信信号，把该通信信号调制到N个信号组并输出的调制驱动控制电路2，N个信号组占用相邻的波段；
分别输入N个信号组中的一组信号，并分别把该组信号转化为激光信号输出的一路光源3-1至N路光源3-N，一路光源3-1至N路光源3-N输出的激光信号在11270至1610nm的波长范围内，每两个相邻组激光信号的中心波长相距20nm；
分别输入一组激光信号并完成功率放大的一路放大器4-1至N路放大器4-N；
接收一路放大器4-1至N路放大器4-N的输出并将其合成一束光的波分复用器5；
接收波分复用器5的输出并向下传递的发射光路6；
和接收发射光路6的输出并完成激光束向空间发射的发射天线7组成；
信号接收装置ii由接收发射天线7发射出来的激光束的接收天线8；
接收接收天线8输出的接收光路9；
接收接收光路9输出的激光束并把其分解成N组激光信号的解复用器10；
分别输入N组激光信号中的一组信号，并分别把该组信号转化为电信号的一路探测器11-1至N路探测器11-N；
接收一路探测器11-1至N路探测器11-N的输出，并实现N组电信号解调制还原、放大的放大控制电路12；
和完成通信数据解码的卫星平台接收器13组成。
本发明利用在卫星间进行激光波分复用的高码率数据传输技术方案，解决了目前星间光通信数据率较低的问题，把通信信号在小功率时调制，然后再放大，解决了通信信号远距离传输的问题。利用本发明的技术方案，中继卫星与低轨道卫星间波分复用通信的最大距离能够达到45000公里、通信波长1.55μm附近，通信数据率2.5Gbps(双向，四路波分复用，每路622Mbps)，误码率小于10-7，通信方式是强度调制，直接探测。日本KIRARI卫星(低轨道卫星)与欧洲空间局Artemis卫星于2005年实现的双向光学链路通信，通信波段为0.8μm附近，数据率2Mbps(前向)和50Mbps(返向)。通过比较可知，两种方案的应用需求和空间环境背景相同，而本发明提出的方案在通信数据率方面大大提高，适应了当前卫星间通信的发展需求。
附图说明
图1是本发明的结构示意图，图2是实施方式二的结构示意图。
具体实施方式：
具体实施方式一：下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式由信号发射装置i和信号接收装置ii组成，信号发射装置i由
完成通信数据编码的卫星平台信号源1；
接收卫星平台信号源1输出的通信信号，把该通信信号调制到N个信号组并输出的调制驱动控制电路2，N个信号组占用相邻的波段；
分别输入N个信号组中的一组信号，并分别把该组信号转化为激光信号输出的一路光源3-1至N路光源3-N，一路光源3-1至N路光源3-N输出的激光信号在11270至1610nm的波长范围内，每两个相邻组激光信号的中心波长相距20nm；
分别输入一组激光信号并完成功率放大的一路放大器4-1至N路放大器4-N；
接收一路放大器4-1至N路放大器4-N的输出并将其合成一束光的波分复用器5；
接收波分复用器5的输出并向下传递的发射光路6；
和接收发射光路6的输出并完成激光束向空间发射的发射天线7组成；
信号接收装置ii由接收发射天线7发射出来的激光束的接收天线8；
接收接收天线8输出的接收光路9；
接收接收光路9输出的激光束并把其分解成N组激光信号的解复用器10；
分别输入N组激光信号中的一组信号，并分别把该组信号转化为电信号的一路探测器11-1至N路探测器11-N；
接收一路探测器11-1至N路探测器11-N的输出，并实现N组电信号解调制还原、放大的放大控制电路12；
和完成通信数据解码的卫星平台接收器13组成。
本发明中的波分复用是指在同一个光路中使用2个或2个以上的光波长信号通过不同光通道各自传输信息。波分复用器基于成熟的薄膜滤波器技术，在从1270至1610nm的整个波长范围内，可使用最多18条信道，信道的中心波长相距20nm。随着地面光纤通信技术的飞速发展，较长波长的激光器逐渐成熟。在此基础上，采用波分复用(WDM)方法可提高空间光通信系统的数据率，并且部分降低对空间光通信系统中电子学器件的要求。波分复用最早在光纤通信中提出，它是指在一根光纤中同时传播多个波长光信号的一项技术。在星间激光通信中，波分复用是指在一个链路中同时传播多波长光信号。以四波段波分复用为例，若单信道的数据率为622Mbps，则复用后的数据率将提高到2.5Gbps。若激光器等装置的技术性能进一步提高，可以实现密集波分复用(DWDM)，星间激光通信的数据率将进一步提高。
具体实施方式二：下面结合图1和图2具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同点是：发射光路6为光纤准直器，发射天线7为发射望远镜，接收天线8为接收望远镜，接收光路9由聚焦透镜9-1和光纤耦合器9-2组成，聚焦透镜9-1的输入端连接接收天线8的输出端，光纤耦合器9-2的输入端连接聚焦透镜9-1的输出端，光纤耦合器9-2的输出端连接解复用器10的输入端。选用一路光源3-1至四路光源3-4共四路，一路放大器4-1至四路放大器4-4共四路，一路探测器11--1至四路探测器11-4共四路。
在信号发射装置i中：一路光源3-1至四路光源3-4都采用美国T-Netwoks公司的LIM10X激光器，输出波段范围1528nm到1563nm，最大调制数据率10Gbps。按着间隔10nm的方式选取四路激光器。选择较宽的波长间隔可以有效降低温度变化及星间多普勒频移的影响。一路放大器4-1至四路放大器4-4都采用美国Connet公司的KPS-BT2掺铒光纤放大器，饱和输出功率最大可达37dBm(5W)，可以满足光束远距离传输的输出功率要求。波分复用器5选用美国Santec公司的4路波分复用模块MDM-15，可以工作在1520nm到1610波段，插入损耗小于1.6dB。光纤准直器采用传统的光学元器件实现，系统焦距50mm。光纤的纤径尺寸9μm，数值孔径0.13，经过准直器后的光斑直径为13mm。采用开普勒式望远镜作为接收望远镜，放大倍数为10，口径为150mm。在信号接收装置ii中：接收望远镜采用开普勒式望远镜，放大倍数为20，口径为250mm。聚焦透镜的焦距为100mm。光纤耦合器采用传统的光学元器件实现，系统焦距为10mm。解复用器10选用美国Santec公司的四路解复用模块MDM-15，可以工作在1520nm到1610波段，插入损耗小于1.9dB。一路探测器11-1至四路探测器11-4采用武汉电信器件公司的PACS965系列通信APD探测器，工作波段1250nm到1620nm，数据率2.5Gbps。
在光源选择方面，信号发射装置采用1.55μm附近波段光纤激光器，经过掺铒光纤放大器(EDFA)后可获得较大的功率输出。信号接收装置采用该波段附近的高灵敏度的InGaAs探测器。为了实现远距离的高码率通信，在信号收发技术方案中考虑在光纤通信中已经比较成熟的波分复用技术。

Claims (2)

1、中继卫星与低轨道卫星间高码率通信系统，它由信号发射装置(i)和信号接收装置(ii)组成，其特征在于信号发射装置(i)由
完成通信数据编码的卫星平台信号源(1)；
接收卫星平台信号源(1)输出的通信信号，把该通信信号调制到N个信号组并输出的调制驱动控制电路(2)，N个信号组占用相邻的波段；
分别输入N个信号组中的一组信号，并分别把该组信号转化为激光信号输出的一路光源(3-1)至N路光源(3-N)，一路光源(3-1)至N路光源(3-N)输出的激光信号在11270至1610nm的波长范围内，每两个相邻组激光信号的中心波长相距20nm；
分别输入一组激光信号并完成功率放大的一路放大器(4-1)至N路放大器(4-N)；
接收一路放大器(4-1)至N路放大器(4-N)的输出并将其合成一束光的波分复用器(5)；
接收波分复用器(5)的输出并向下传递的发射光路(6)；
和接收发射光路(6)的输出并完成激光束向空间发射的发射天线(7)组成；
信号接收装置(ii)由接收发射天线(7)发射出来的激光束的接收天线(8)；
接收接收天线(8)输出的接收光路(9)；
接收接收光路(9)输出的激光束并把其分解成N组激光信号的解复用器(10)；
分别输入N组激光信号中的一组信号，并分别把该组信号转化为电信号的一路探测器(11-1)至N路探测器(11-N)；
接收一路探测器(11-1)至N路探测器(11-N)的输出，并实现N组电信号解调制还原、放大的放大控制电路(12)；
和完成通信数据解码的卫星平台接收器(13)组成。
2、根据权利要求1所述的中继卫星与低轨道卫星间高码率通信系统，其特征在于发射光路(6)为光纤准直器，发射天线(7)为发射望远镜，接收天线(8)为接收望远镜，接收光路(9)由聚焦透镜(9-1)和光纤耦合器(9-2)组成，聚焦透镜(9-1)的输入端连接接收天线(8)的输出端，光纤耦合器(9-2)的输入端连接聚焦透镜(9-1)的输出端，光纤耦合器(9-2)的输出端连接解复用器(10)的输入端，选用一路光源(3-1)至四路光源(3-4)共四路，一路放大器(4-1)至四路放大器(4-4)共四路，一路探测器(11-1)至四路探测器(11-4)共四路。
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