大容量高速数传技术综述

大容量高速数传技术综述

一、大容量高速数传技术简介

测控通信系统在航天任务中主要是对火箭的工作状态进行监视，并根据控制要求进行飞行控制，是天地通信的唯一途径。航天任务对测控通信系统的覆盖率、测量精度、数据传输速率、可靠性等均提出了高要求。更大的数据传输容量，更高的传输速率是目前测控通讯系统的发展方向。

我国已建立比较完善的S波段遥测航天测控通信体系，并在载人航天任务和卫星任务中推广使用。为了应对未来不断提高的航天工程需求，提高遥测的码速率，应用更高的遥测频段，以及发展激光通信都是航天领域中破在眉睫的事情。

二、遥测技术应用

从早期的C波段遥测，到目前成熟的S波段遥测，以及在特定领域应用的Ku、Ka波段遥测等，遥测技术的发展推动了航天领域的进步。下面具体介绍下各波段特点：

1）C波段遥测资源较丰富，易受地面干扰，天线口径较大，不受天气影响；。

2）S波段是指频率范围在1.55-3.4GHz的电磁波频段。

主要应用：中继卫星通信，雷达等。现在广泛使用的蓝牙，Zigbee，无线路由，无线鼠标也在使用这个频段范围的频率进行传输。

3）Ku波段的地面干扰很小，Ku波段频率高，一般在11.7-12.2GHz之间，不易受微波辐射干扰，大大地降低了对接收环境的要求；接收Ku波段的天线口径尺寸小，便于安装也不易被发现； Ku频段宽，能传送多种业务与信息；

Ku波段下行转发器发射功率大（大约在100W以上），能量集中，方便接收。

降雨对Ku波段卫星广播的影响比较严重，其上下行信号降雨衰耗远大于C波段，暴雨情况下Ku波段上行或下行链路瞬间雨衰量可超过20dB，而C波段最大雨衰量一般不超过1dB。

Ku波段的频率受国际有关法律保护，Ku波段卫星单转发器功率一般比较大，多采用赋形波束覆盖，卫星EIRP较大

4）Ka波段是电磁频谱的微波波段的一部分，Ka波段的频率范围为26.5-40GHz。Ka代表着K的正上方 (K-above)，换句话说，该波段直接高于K波段。Ka波段也被称作30/20 GHz波段，通常用于卫星通信。

Ka波段大致上的频率范围是30／20GHz。Ka频段具有可用带宽宽，干扰少(干扰不一定少)，设备体积小的特点。因此，Ka频段卫星通信系统可为高速卫星通信、千兆比特级宽带数字传输、高清晰度电视(HDTV)、卫星新闻采集(SNG)、VSAT业务、直接到户(DTH)业务及个人卫星通信等新业务提供一种崭新的手段。Ka频段的缺点是雨衰较大，对器件和工艺的要求较高。在Ka频段频音下，Ka用户终端的天线尺寸主要不是受制于天线增益，而是受制于抑制来自其它系统干扰的能力。

图 1 遥测波段、频率和波长

各波段遥测在传输数据时也有所差异，可根据传输数据量选择适合的波段，传输数据速率如图2。

图 2 数据传输速率对应遥测波段

三、激光通信技术应用

激光通信技术目前主要应用于同步轨道卫星(GEO)和低轨道卫星(LEO)设备之间的卫星通信。激光通信包括以下几个关键技术：

1）高功率激光器

空间激光通信具有传输距离大，空间损耗大的特点，因此要求建立激光链路的光源输出功率大，调制速率高，一般主要有三类：

⑴ 二氧化碳激光器

输出功率最大(>10kw)，输出波长有10.6μm和9.6μm，但体积比较大，寿命不长，比较适合于卫星和地-星的光通信。

⑵ 半导体激光器

代表为二级管激光器，其优点在于超小的外形体积，极高的转换效率、结构简单等。但半导体激光器与别的激光器相比较，缺点是发射光功率较小、波长稳定性差、线宽较宽、调制速度较低，尤以发射功率最为突出。为了解决这一问题，目前采用了一种主控振荡功率放大(MOPA)的半导体器件，只要该器件的功率环境能满足空间环境要求，半导体激光器会被更广泛的应用于星间和星地激光链接。

⑶ 固体激光器

固体激光器因其体积过大、转换效率低，并未被星上应用看好，但随着探测灵敏度对调制方式选择，固体激光器波长稳定性好、发射功率可以做得很大的优点受到重视，特别是Nd:YAG固体激光器，比较适合空间应用。它的一个突出缺点是电光转换效率，现在这一缺点已得到部分改善。

2）快速、精确的捕获、跟踪和瞄准（APT）技术

APT是技术保证实现星间、星地激光通信的关键技术之一，在太空中，在u rad量级的发散角度的条件下，进行精确的捕获、瞄准和跟踪是实现在超远距离的高速运动的终端间建立通信链路的核心技术，系统通常分为两部分：

（1）捕获（粗跟踪）系统

在较大视场范围内捕获目标，捕获范围可达±1°～±20°或更大。通常采用CCD阵列来实现，并与带通光滤波器、信号实时处理的伺服执行机构共同完成粗跟踪，即目标的捕获。粗跟踪的视场角为几mrad，灵敏度约为10pW，跟踪精度为几十mrad。

（2）跟踪、瞄准（精跟踪）系统

在完成目标捕获后，对目标进行瞄准和实时跟踪。通常采用四象限红外探测器（QD）或Q-APD高灵敏度位置传感器来实现，并配以相应伺服控制系统。

随着1064nm和1550nm波段的广泛研究应用，与该波段相匹配的APT技术和元器件研究逐渐受到重视。捕获阶段由于对视场角的要求，只能采用大视场的CCD或四象限作为传感器，跟踪由于和通信联系更为紧密而出现了与通信波段、调制方式及放大策略密切相关的方法。

3）精密的收、发天线

空间激光通信均采用收发一体天线，隔离度近100%的精密光机组件。由于空间激光通信的发射源大部分采用半导体激光器，其发射功率比较小，因此收发天线的增益很高，另外还要求整体结构轻巧、紧凑，以适合空间应用。

4） 大气信道

在地-星激光通信的传输过程中，大气中的各种离子（气体分子，水雾等）的体积尺寸和半导体激光波长相似，容易引起吸收和散射，使光信号受到干扰，目前所采用的自适应光学技术可以比较好的解决该问题，可以保证其在随即信道条件下的正常工作。

5）振动抑制技术

振动抑制是困扰卫星光通信的一个重要问题，从开环捕获、闭环跟踪到光通信各个环节，都成为影响系统性能的重要因素。最早提出的抑制措施主要集中在结构方面，采用对结构的被动控制和主动控制来抑制振动。

被动控制是通过优化结构设计，依靠结构本身的阻尼消耗振动能量。

主动控制是将外部的能量输入受控系统，与系统本身能量相互抵消来实现振动抑制。包括：调整带宽、调整探测阵列、调整波束宽度、功率控制、采用多样性的星间链路这集中具体方法。

四、总结

目前，大容量高速数传的技术主要体现在遥测和激光通信上，其中遥测被广泛应用于航天领域，激光通信主要用于卫星通信。今后发展应用更高的遥测波段，提高数据传输的码速率，全面提升航天测控通信传输的传输数据质量，得到更多更全面的参试数据，对于今后的航天任务就能提供更可靠的技术保障。