基于平流層飛艇的星地中繼通信系統設計

2019-06-27 00:22:30 移動通信2019年5期

王荊寧 郎磊 楊乾遠 薛松海 何占林

【摘? 要】針對高軌衛星對地激光鏈路受大氣層影響較大,難以全天候工作的現狀,設計了一種利用平流層飛艇平臺對激光鏈路進行中繼的通信系統,將激光終端升空到平流層降低大氣層影響,采用高速微波實現飛艇平臺到地面的信息中繼,可以實現5 Gbit·s-1以上的可靠信息傳輸。對激光載荷安裝、微波鏈路預算以及天線對準等進行了分析,總結了隨機運動特性平臺高精度指向和快速捕獲、大幅度低頻擾動特性下高精度穩定、大容量微波高速自適應均衡等關鍵技術,可以滿足高速中繼的需求。

【關鍵詞】星地中繼通信;平流層平臺;空間激光通信;微波通信;雨衰分析

中圖分類號:TN929.5

文獻標志碼:A? ? ? ? 文章編號:1006-1010(2019)05-0060-05

1? ?引言

空間激光通信由于傳輸容量大,是未來星地通信和星間通信的重要手段,通過星間、星地激光通信鏈路與地面光纖骨干網連接,形成天地一體化的激光寬帶信息網絡,可以實現5 Gbit·s-1以上的高速信息傳輸。

高軌衛星的激光直接落地受到大氣層中雨、霧、云層和大氣湍流等的影響,星地激光鏈路無法全天侯工作。如果地面終端升空到20 km的平流層,就不存在雨、霧和云層的影響,大氣湍流和大氣衰減的影響將減少超過90%。因此在平流層對星地激光進行微波中繼是星地激光通信實用化很好的途徑,是天空地一體化的重要組成部分。

美國霍普金斯大學開展的SPARCL(Space Relay Communications Link,空間中繼通信鏈路)計劃提出了星地中繼的思路,如圖1所示,計劃采用高空氣球通過空間激光通信系統中繼接收LEO、GEO下傳的高速數據流,然后通過系留光纖下傳到地面站,進而有效避開云層、大氣衰減、大氣吸收、大氣湍流等負面影響,形成衛星-臨近空間-地面全光下行傳輸鏈路,但該計劃未見實際實施的報道。

2006年法國LOLA試驗開展了40 000 km下50 Gbit·s-1通信速率的星-空激光通信試驗。國內哈爾濱工業大學實現了1 650 km下的504 Mbit·s-1的星-地激光通信試驗,中科院上海光機所搭載于“墨子號”的載荷實現了1 600 km下的5 Gbit·s-1的星-地激光通信試驗,僅有長春理工大學2013年開展了144 km下2.5Gbit·s-1的空-空激光通信試驗,尚沒有開展過星-空的激光通信試驗以及高軌對地的激光通信試驗[1-4]。

2? ?系統設計

2.1? 系統組成

浮空平臺節點包含激光通信載荷、微波通信載荷、平流層飛艇等[5-6]。

激光通信載荷主要實現對天基骨干節點激光通信載荷初始指向,鏈路捕獲跟蹤,建立激光通信鏈路,進行數據雙向高速傳輸。激光通信載荷主要由光機單元、通信處理單元、管控單元、組合慣導單元,微波載荷主要包括基帶處理單元、射頻單元、天線伺服單元、組合慣導單元。

由于激光載荷和微波載荷對位置和姿態的要求很高,而兩個載荷分別安裝在平臺的頂部和底部,因此需要單獨安裝組合慣導單元測量位置和穩定姿態。

2.2? 傳輸體制

用于空間激光通信的通信體制主要有相干通信體制和IM/DD(Intensity Modulation/Direct Detection,強度調制/直接探測)的通信體制。星地中繼通信系統需要實現40 000 km下5 Gbit·s-1~20 Gbit·s-1的高速信息傳輸,相干體制接收靈敏度比IM/DD體制接收靈敏度高約10 dB~20 dB,并且易于實現PSK(Phase Shift Keying,移相鍵控)、QAM(Quadrature Amplitude Modulation,正交振幅調制)等高階調制,實現大容量的通信,因此本系統選用相干通信體制。

微波通信是點對點傳輸,傳輸速率高,一般采用定向天線,因此采用單載波的FDD體制。按照5 Gbit·s-1的傳輸速率計算,可以采用16QAM調制方式,編碼方式采用LDPC編碼(碼率8/9),成型方式選擇平方根升余弦,滾降系數選定為0.25,帶寬為1.83 GHz。

2.3? 波段與頻率選擇

激光通信常用的信號或信標波長主要包括800 nm、1 064 nm及1 550 nm三個波段。其中1 550 nm在太空中背景光少、探測的背景噪聲低,且受益于光纖通信的發展,國內1 550 nm波段器件較為成熟,因此本系統選用1 550 nm波段作為激光鏈路的通信波段,800 nm波段作為激光鏈路的信標光波段。

微波通信由于單向需要接近2 GHz的帶寬,且需要不少于4 GHz的雙工間隔,在低頻段難以找到合適的頻段,可以使用的頻段包括Q頻段和E頻段。由于E頻段頻率較高,雨衰較大,且國內器件不成熟,因此本系統采用Q頻段。結合我國的頻率劃分情況,上行采用36 GHz—42.5 GHz頻段,下行采用42.5 GHz—46 GHz頻段,該頻段大氣和降雨的損耗不存在峰值。

2.4? 平臺選擇

可用于平流層的平臺包括平流層飛艇、平流層氣球和太陽能無人機三種[5]。星地中繼需要的載重較大,且需要平臺能夠穩定在固定區域工作。太陽能無人機載重較小并且對氣動外形要求較高,平流層氣球載重較小且沒有動力,運動范圍較大,均無法滿足系統要求。平流層飛艇載重可達數百公斤,自身動力可以保證在相對固定的區域工作,是星地中繼的最佳平臺。

考慮平臺的伺服等安裝要求,平臺俯仰角變化數據極限值應不超過±15°,三軸角速度極限值不超過10°/s,三軸線加速度極限值不超過5 m/s2,載重能力應不小于200 kg,供電能力應不小于1 kW。

2.5? 天線口徑設計

通信天線口徑需要考慮飛艇平臺的載重能力、對準的可靠性和通信能力的折中,光學天線的口徑設計為0.3 m,平臺微波天線口徑設計為0.3 m,地面微波天線的口徑設計為1.8 m。按照該口徑進行計算,激光通信載荷重量不超過85 kg,微波通信載荷重量不超過65 kg。

2.6? 激光載荷安裝設計

激光載荷需要安裝在平臺的上方,遮擋嚴重的是橫向位置的尾翼,靠后的位置尾翼遮擋較大。選擇居中的位置,在氣球平臺俯仰角為0°的情況下,所能達到的視場角度為171°,可以滿足對高軌星的視場角要求。

頂部安裝位置示意圖如圖2所示。

根據安裝位置計算囊體結構強度及變形情況,設定風速為20 m/s,計算結果顯示囊體最大張力為33 N/cm,最大變形為83 mm,可以安全穩定安裝。安裝位置應力與變形圖如圖3所示。

2.7? 激光與微波對準分析

對于星-空激光鏈路,由于高軌星穩定性較好,其光軸初始指向精度優于飛艇,所以鏈路捕獲模式設計為飛艇激光載荷凝視指向、高軌星激光載荷信標掃描模式。首先采用高精度GPS/INS測量飛艇位置與姿態,飛艇激光載荷與高軌星激光載荷相互初始指向,飛艇激光載荷凝視,飛艇激光載荷CCD接收視場覆蓋其指向不確定區域,高軌星激光載荷發射信標光在其初始指向不確定區域內進行連續掃描。當高軌星激光載荷信標光進入飛艇激光載荷粗跟蹤視場后,飛艇激光載荷轉入粗跟蹤將高軌星光斑跟蹤到粗跟蹤視場中心。

對于空-地微波鏈路,由于飛艇天線波束寬度大于地面站天線波束寬度,因此采用地面站天線跟蹤飛艇的方式進行天線對準。飛艇天線可以根據通信雙方的經緯度定位信息以及慣性導航設備提供的測向信息計算通信位置角度,控制飛艇天線指向地面站,并且隔離飛艇的搖擺,并提供穩定信標,地面站天線采用單通道單脈沖跟蹤體制實現對飛艇的自動跟蹤。飛艇天線也采用單脈沖跟蹤體制,配備跟蹤接收機,當地面站天線指向對準后,用來實際糾正飛艇的位置姿態帶來的指向誤差。

3? ?微波鏈路雨衰分析

由于將激光通信載荷升高到平流層基本可以不考慮大氣層的影響,因此微波鏈路在不同氣象條件下的可靠性是整個鏈路可靠工作的重要保證。

平流層平臺飛行高度設計為18 km~24 km,微波載荷通信系統最大通信距離按照50 km計算,則地面站到浮空平臺的仰角θ≥21°6′。

根據通信行業標準YD/T 984-1998,地球站實際降雨高度為:

考慮到中國大陸的緯度覆蓋北緯4°到北緯53°,因此地球站實際降雨高度最大為4 km。根據浮空平臺仰角可知受降雨影響的地面站大浮空平臺最大路徑長度,其水平投影長度為10.4 km。降雨影響的地面站到平流層平臺最大路徑長度示意圖如圖4所示:

下面以頻率為45 GHz,合肥地區的雨衰進行計算,根據GB/T 14617.3-2012得到雨區劃分,如表1所示:

門限電平按照-57.5 dBm計算,接收電平按照-32.4 dBm計算,根據接收電平及鏈路雨衰估算得到合肥地區99%、99.5%、99.9%可用度的鏈路通信余量如表2所示。可以看出,按照50 km計算,可以達到99.5%的可用度[7-8]:

4? ?關鍵技術分析

4.1? 隨機運動特性平臺高精度指向和快速捕獲技術

平流層飛艇姿態位置變化率快、變化幅度大,平臺位姿變換隨機性強,無法實現預測,這就給激光通信鏈路的初始建立帶來了非常大的難度。受到平臺姿態測量誤差、視軸穩定誤差、光端機視軸裝校誤差等因素影響,存在較大的不確定區域(通常大于幾個mrad),遠遠大于通信光束的束散角(十幾μrad),若直接用通信光束在不確定區域內進行捕獲,可能會需要相當長的捕獲時間,甚至導致相當低的捕獲概率,因此高精度指向、快速捕獲技術是該系統的關鍵技術[9]。

4.2? 大幅度低頻擾動特性下的高精度穩定技術

相對于姿態保持較好的衛星平臺,飛艇平臺的特點為大幅度低頻擾動,其姿態變化幅度大,可達到度級,并且擾動頻率相對較低[10]。如果不對此低頻擾動進行抑制,不僅影響初始的捕獲不確定區域,影響捕獲性能,且此低頻擾動也影響最終的跟蹤精度。所以艇載通信系統需要首先實現自身的穩定,它是開展快速捕獲和高精度跟蹤的前提,這就要求通信系統具備抑制這種大幅擾動的能力。

4.3? 大容量微波高速自適應均衡技術

高速解調器需處理的信號總帶寬超過2 GHz,寬帶信號在通過模擬射頻信道的過程中,會產生嚴重的群時延失真和幅度失真。越來越高的傳輸帶寬造成了嚴重的時間色散,接收信號中包含了不同衰落和時延的多徑分量,引起頻率選擇性衰落,從而導致嚴重的碼間干擾,降低了傳輸的性能。同時,殘留線性失真和隨機干擾也會引起設備性能下降。這些失真將帶來符號間的串擾,嚴重影響解調性能。因此,在系統設計中應采用自適應均衡技術,減小符號間的串擾。

5? ?結論

本文設計了一種利用平流層飛艇搭載激光載荷和微波載荷進行星地中繼傳輸的系統。經過計算,微波鏈路在合肥地區可以達到99.5%以上的可靠度,激光載荷的視場角可以達到171°,可以實現星地激光鏈路的長時間工作,極大提升該鏈路的可用性。

參考文獻:

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