主頁(yè)（http://www.130131.com）：高速空間激光通信系統(tǒng)在空天信息網(wǎng)的應(yīng)用

　　針對(duì)高速空間激光通信系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)面臨的主要問題：節(jié)點(diǎn)高速運(yùn)動(dòng)的跟蹤瞄準(zhǔn)和與組網(wǎng)載荷協(xié)同工作，提出將高速空間激光通信系統(tǒng)作為節(jié)點(diǎn)主要通信載荷的雙通信載荷結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)了高速空間激光通信系統(tǒng)與組網(wǎng)載荷協(xié)同工作機(jī)制和協(xié)議模型，依據(jù)協(xié)議模型進(jìn)行了原理樣機(jī)開發(fā)與試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，提出的協(xié)同工作機(jī)制與協(xié)議模型能很好地適用于高速空間激光系統(tǒng)，支持超高速率數(shù)據(jù)傳輸，最高M(jìn)AC層協(xié)議數(shù)據(jù)速率可達(dá)1.772Gb/s，平均處理時(shí)延20μs。

　　目前，天基與空基的人造飛行器例如地球軌道衛(wèi)星（GEO）、低軌道衛(wèi)星（LEO）航天飛機(jī)、高空飛艇等，主要利用高速或低速的微波鏈路與對(duì)應(yīng)的地面站通信形成“煙囪”式的應(yīng)用模式；或者通過地面網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)連接與信息共享，組成“天星地網(wǎng)”的應(yīng)用形式。在某些應(yīng)用中，盡管一些衛(wèi)星可以為其他天基飛行器提供數(shù)據(jù)中繼服務(wù)，但是這種數(shù)據(jù)中繼服務(wù)還不能稱為空間網(wǎng)絡(luò)。

　　近年來，天基與空基的飛行器通過高速鏈路進(jìn)行組網(wǎng)，并賦予飛行器智能化信息處理能力即形成空天信息網(wǎng)是未來空間網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展趨勢(shì)。由于具有諸多優(yōu)勢(shì)，空天信息網(wǎng)在軍事、民用和科研領(lǐng)域有非常廣闊的應(yīng)用前景�？仗煨畔⒕W(wǎng)是從天基綜合信息網(wǎng)絡(luò)的概念發(fā)展與演變而來的。空天信息網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)除了各種高度的衛(wèi)星和航天飛行器外，還包括空基的臨近空間平臺(tái)、有人駕駛或無(wú)人駕駛的航空飛行器等�？仗煨畔⒕W(wǎng)除了包括各種類型網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的互連與通信外還能夠提供在軌信息獲取、在軌信息處理、在軌信息分發(fā)與在軌信息應(yīng)用等。

　　空天信息網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確定義是由多個(gè)空基與天基的飛行器進(jìn)行互連互通，以空間信息的傳輸與交換為基礎(chǔ)，以空間信息的處理與應(yīng)用為核心，以支持未來全空間軍事與民用使命為目的的大型空間網(wǎng)絡(luò)信息基礎(chǔ)設(shè)施。通過網(wǎng)關(guān)等設(shè)施，空天信息網(wǎng)絡(luò)能和地面網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)互通。為提供大容量的信息吞吐能力與高速的信息處理能力，空天信息網(wǎng)的骨干節(jié)點(diǎn)之間必須部署具有超高速比特傳輸能力的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信鏈路。

　　超高速微波通信由于頻率和眾所周知的技術(shù)難度，速率提升空間有限。以微波為載體的通信技術(shù)已經(jīng)不能滿足未來空天信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，隨著衛(wèi)星激光通信關(guān)鍵技術(shù)的突破和激光所具有的優(yōu)勢(shì)逐步體現(xiàn)，面對(duì)日益增長(zhǎng)的高數(shù)據(jù)率和大通信容量的需求，空天信息網(wǎng)將更多采用空間激光通信系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)骨干網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的互連。對(duì)于空間激光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究在國(guó)內(nèi)外開展如火如荼，本文介紹了高速空間激光通信系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用在空天信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)面臨的主要問題。在分析空天信息網(wǎng)絡(luò)骨干層節(jié)點(diǎn)鏈路需求的基礎(chǔ)上討論了如何在空天信息網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用超高速空間激光通信系統(tǒng)，并給出采用超高速空間激光通信系統(tǒng)時(shí)空天信息網(wǎng)的通信模型。

　一、高速空間激光通信系統(tǒng)

　　空間激光通信是指在2個(gè)或多個(gè)終端之間利用激光束作為信息載體實(shí)現(xiàn)通信。激光的高度相干性和空間定向性決定了空間激光通信與微波通信相比在許多方面優(yōu)勢(shì)明顯，例如：抗干擾能力強(qiáng)、安全性好、設(shè)備體積小、質(zhì)量輕、功耗低等。

　　空間激光通信系統(tǒng)從功能上分為通信分系統(tǒng)和捕獲、跟蹤、對(duì)準(zhǔn)（ATP）分系統(tǒng)。通信分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基帶數(shù)據(jù)輸入輸出控制與調(diào)制解調(diào)。以及極窄信號(hào)光發(fā)射/接收等功能。APT分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)立體空間內(nèi)通信雙方快速、高概率捕獲和在相對(duì)運(yùn)動(dòng)和平臺(tái)振動(dòng)條件下的高精度、動(dòng)態(tài)跟蹤。超高速空間激光通信系統(tǒng)的組成如圖1所示。

　　圖1 高速空間激光通信系統(tǒng)組成

　　高速空間激光通信系統(tǒng)在通信雙方間有2個(gè)光路，其中，信號(hào)光用于傳輸高速數(shù)據(jù)信標(biāo)光用于APT系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)。超高速激光通信系統(tǒng)工作過程主要分為4個(gè)步驟：系統(tǒng)預(yù)熱、捕獲過程、跟蹤與瞄準(zhǔn)過程和數(shù)據(jù)傳輸。因此，高速空間激光通信系統(tǒng)還需要輸入通信雙方的初始位置信息，用于捕獲與跟蹤。

　　在實(shí)際應(yīng)用中，高速空間激光通信系統(tǒng)作為星間鏈路使用時(shí)，需要克服的問題主要是太陽(yáng)光為地球表面的云層、積雪和海洋反射所產(chǎn)生的強(qiáng)烈背景輻射；作為星地鏈路使用時(shí)，需要克服的主要問題是激光穿越大氣層引起的衰減嚴(yán)重和大氣信道隨機(jī)性問題。高速空間激光通信系統(tǒng)部署在空天信息網(wǎng)中時(shí)，2個(gè)重要問題是：

　　1、節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)

　　空天信息網(wǎng)中的所有節(jié)點(diǎn)都處于有規(guī)律的高速運(yùn)動(dòng)（軌道運(yùn)動(dòng)），因此節(jié)點(diǎn)的位置可以根據(jù)初應(yīng)用光學(xué)胡鶴飛等高速空間激光通信系統(tǒng)在空天信息網(wǎng)中的應(yīng)用始位置和軌道信息進(jìn)行計(jì)算。因此，需要在APT分系統(tǒng)中增加對(duì)軌道信息的處理能力。

　　2、與組網(wǎng)載荷的集成

　　組網(wǎng)載荷的功能是控制鏈路進(jìn)行組網(wǎng)，還可以包括數(shù)據(jù)交換與數(shù)據(jù)路由。高速空間激光通信系統(tǒng)作為通信物理層，必須與組網(wǎng)載荷高效集成，構(gòu)成完整的協(xié)議棧。

　二、高速空間激光通信系統(tǒng)在空天信息網(wǎng)的應(yīng)用

　　1、工作機(jī)制

　　空天信息網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)包括天基網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與空基網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，決定節(jié)點(diǎn)所部署鏈路的因素很多，主要有平臺(tái)能力、節(jié)點(diǎn)功能、運(yùn)動(dòng)速度與軌道高度等。根據(jù)空天信息網(wǎng)節(jié)點(diǎn)類型與鏈路特點(diǎn)，高速空間激光通信系統(tǒng)可部署在GEO軌道節(jié)點(diǎn)，MEO軌道節(jié)點(diǎn)與鄰近空間節(jié)點(diǎn)上，主要為這些相對(duì)穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)之間提供同軌面的高速數(shù)據(jù)傳輸。

　　裝載了高速空間激光通信系統(tǒng)的2個(gè)節(jié)點(diǎn)在通信分系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸前，需要由APT分系統(tǒng)對(duì)對(duì)方進(jìn)行跟蹤與鎖定。因此，組網(wǎng)載荷需要向高速空間激光通信系統(tǒng)輸入對(duì)方節(jié)點(diǎn)的位置信息，供APT分系統(tǒng)使用。完整的位置信息應(yīng)包括對(duì)方節(jié)點(diǎn)的三維位置、節(jié)點(diǎn)姿態(tài)、軌道參數(shù)等。

　　空天信息網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間必須建立安全可信的網(wǎng)絡(luò)連接。因此，除了APT分系統(tǒng)需要輸入的位置信息，在APT分系統(tǒng)工作前，空天通信網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)還必須與對(duì)方節(jié)點(diǎn)建立系統(tǒng)級(jí)的可信關(guān)系，即通信節(jié)點(diǎn)雙方互相進(jìn)行安全認(rèn)證以保證對(duì)方節(jié)點(diǎn)可以安全地訪問。因此，組網(wǎng)載荷啟動(dòng)高速空間激光通信系統(tǒng)進(jìn)行工作前，需要考慮利用其他的通信鏈路交換信息。這些信息包括對(duì)方節(jié)點(diǎn)的身份信息和位置信息等交換這些信息的通信鏈路可被定義為控制鏈路。

　　在進(jìn)行實(shí)際部署前，我們不需要指定這條控制鏈路具體采用什么通信技術(shù)，但這條控制鏈路的一些技術(shù)需求如下：

　　采取全向天線，并覆蓋盡可能大的面積；

　　無(wú)信道競(jìng)爭(zhēng)保證控制信息傳送；

　　提供控制信息傳輸所需的最低速率。

　　滿足上述技術(shù)要求的通信鏈路可以考慮作為控制鏈路使用，例如戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)。因此，空天信息網(wǎng)絡(luò)中使用高速空間激光通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)至少裝備有兩種類型的通信載荷，分別是高速空間激光通信系統(tǒng)載荷和某低速控制鏈路載荷。組網(wǎng)載荷與兩種通信載荷之間的關(guān)系可如圖2所示。

　　圖2 組網(wǎng)載荷與種通信載荷

　　在圖2中，組網(wǎng)載荷與高速空間激光通信系統(tǒng)之間有，2接口，分別為數(shù)據(jù)接口與控制接口。數(shù)據(jù)接口用于組網(wǎng)載荷與高速空間激光通信系統(tǒng)的通信分系統(tǒng)進(jìn)行通信數(shù)據(jù)傳輸；控制接口用于組網(wǎng)載荷與高速空間激光通信系統(tǒng)的APT分系統(tǒng)進(jìn)行控制信息傳輸，包括：

　　輸入對(duì)方節(jié)點(diǎn)位置姿態(tài)軌道等初始工作信息；

　　輸入控制命令；

　　監(jiān)視工作狀態(tài)。

　　當(dāng)組網(wǎng)載荷進(jìn)行空天通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間組網(wǎng)和通信時(shí)，需要先后驅(qū)動(dòng)2個(gè)通信載荷協(xié)調(diào)工作.工作的流程如圖3所示。

　　圖3 組網(wǎng)載荷與高速空間激光通信系統(tǒng)工作流程

　　在圖3中，組網(wǎng)載荷首先通過控制接口向高速空間激光通信系統(tǒng)發(fā)送預(yù)熱命令，指示高速空間激光通信系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)預(yù)熱，以節(jié)約組網(wǎng)載荷等應(yīng)用光學(xué)胡鶴飛等高速空間激光通信系統(tǒng)在空天信息網(wǎng)中的應(yīng)用待時(shí)間。在高速空間激光通信系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)熱時(shí)，組網(wǎng)載荷通過低速控制鏈路與對(duì)方節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相互身份認(rèn)證，并交換彼此位置信息。高速空間激光通信系統(tǒng)完成預(yù)熱后，通過控制接口向組網(wǎng)載荷進(jìn)行應(yīng)答，向組網(wǎng)載荷通知高速空間激光通信系統(tǒng)已完成預(yù)熱。組網(wǎng)載荷通過控制接口向高速空間激光通信系統(tǒng)發(fā)送捕獲命令，其中應(yīng)包含對(duì)方節(jié)點(diǎn)的位置信息和本站姿態(tài)信息等參數(shù)。高速空間激光通信系統(tǒng)的APT分系統(tǒng)開始進(jìn)行捕獲與跟蹤。APT分系統(tǒng)在完成精跟蹤過程并與對(duì)方節(jié)點(diǎn)的高速空間激光通信系統(tǒng)鎖定后，高速空間激光通信系統(tǒng)通過控制接口向組網(wǎng)載荷應(yīng)答，向組網(wǎng)載荷通知高速空間激光通信系統(tǒng)已進(jìn)入鏈路就緒狀態(tài)，數(shù)據(jù)接口可以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。完成上述過程后，組網(wǎng)載荷通過高速空間激光通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的過程中，組網(wǎng)載荷可以隨時(shí)通過高速空間激光通信系統(tǒng)的控制接口查詢鏈路信息。

　　圖4展示了可作為空天通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)載荷的原理樣機(jī)和其中與高速空間激光通信系統(tǒng)連接的接口板。

　　圖4  組網(wǎng)載荷原理樣機(jī)與接口板

　　空天通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)載荷原理樣機(jī)的高速背板具有多個(gè)高速接口，可根據(jù)需求裝配多塊接口板。通過高速背板與交換板，數(shù)據(jù)可以在接口板之間進(jìn)行直接交換，不需要軟件控制。接口板的多個(gè)并行SMA接口可分別與通信鏈路載荷|（包括微波和激光兩種體制）和控制鏈路載荷連接。

　　2、空天信息網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模型

　　高速空間激光通信系統(tǒng)作為空天信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的主要通信載荷，與組網(wǎng)載荷協(xié)同工作�？仗焱ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議模型如圖5所示。

　　圖5 空天信息網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議模型

　　在協(xié)議模型中，組網(wǎng)載荷負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)鏈路層以上的功能。低速控制鏈路部分有3層結(jié)構(gòu)：物理層提供對(duì)等節(jié)點(diǎn)之間可靠的物理連接：數(shù)據(jù)控制層保證控制信息的可靠傳遞控制體層可包括多個(gè)控制實(shí)體。不同的控制實(shí)體具有不同的控制功能。本文所涉及到的控制實(shí)體包括認(rèn)證實(shí)體，管理實(shí)體和位置實(shí)體，分別負(fù)責(zé)認(rèn)證功能、網(wǎng)絡(luò)管理功能和位置功能。隨著空天信息網(wǎng)絡(luò)的研究深入，在控制層中可以隨著功能的擴(kuò)展添加更多的控制實(shí)體。

　　3、試驗(yàn)

　　基于此協(xié)議模型，我們進(jìn)行了協(xié)議棧開發(fā)并進(jìn)行了空間高速激光通信系統(tǒng)與組網(wǎng)載荷協(xié)同工作的數(shù)據(jù)傳輸試驗(yàn)，試驗(yàn)的連接如圖6所示。

　　圖6 空間激光通信系統(tǒng)與組網(wǎng)載荷試驗(yàn)

　　在試驗(yàn)中，我們開發(fā)了空間激光鏈路模擬器，用于模擬高速空間激光通信系統(tǒng)。采用VGA攝像頭采集的視頻信號(hào)作為高速數(shù)據(jù)源，視頻顯示器作為數(shù)據(jù)的宿點(diǎn)。整個(gè)試驗(yàn)裝置由2個(gè)仿真節(jié)點(diǎn)組成，分別仿，2個(gè)地球同步軌道與地球靜止軌道的2個(gè)節(jié)點(diǎn).仿真節(jié)點(diǎn)由A組網(wǎng)載荷、空間激光鏈路模擬器、VGA攝像頭與視頻處理單元組成，仿真節(jié)點(diǎn)由B組網(wǎng)載荷、空間激光鏈路模擬器、視頻顯示器與視頻處理單元組成。試驗(yàn)過程中，仿真節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)載荷完成雙方節(jié)點(diǎn)的身份認(rèn)證，并將對(duì)方節(jié)點(diǎn)的位置、姿態(tài)、軌道等參數(shù)輸入到空間激光鏈路模擬器中，由空間激光鏈路模擬器完成激光鏈路工作模擬。在收到應(yīng)答確認(rèn)后，VGA攝像頭產(chǎn)生的視頻信號(hào)被視頻處理單元采集為高速數(shù)據(jù)流，通過接口板輸入到空間激光鏈路模擬器中進(jìn)行傳輸，并顯示在對(duì)等節(jié)點(diǎn)的顯示器上。在試驗(yàn)中，VGA攝像頭產(chǎn)生的數(shù)據(jù)速率經(jīng)測(cè)試為約1.6Gb/s。

　　為測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的最高數(shù)據(jù)傳輸速率，我們采用思博倫TestCenter網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀，對(duì)圖6中的系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試.在測(cè)試中，我們?yōu)樗疾﹤怲estCenter網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀配置的是CM-1G-D4模塊，通過兩，1.25Gbit光接口產(chǎn)生高速數(shù)據(jù)流。在2個(gè)組網(wǎng)載荷之間通過空間激光鏈路模擬器的最高M(jìn)AC層協(xié)議數(shù)據(jù)速率為1.772Gb/2，平均時(shí)延20μs。

　　三、結(jié)束語(yǔ)

　　高速空間激光通信系統(tǒng)能提供Gbit級(jí)的數(shù)據(jù)傳輸速率，可作為主要通信載荷在空天信息網(wǎng)中使用，為空天信息網(wǎng)相對(duì)穩(wěn)定的節(jié)點(diǎn)間提供高速連接，實(shí)現(xiàn)高速穩(wěn)定的帶寬。高速空間激光通信系統(tǒng)應(yīng)用在空天信息網(wǎng)時(shí)，主要要解決節(jié)點(diǎn)高速運(yùn)動(dòng)帶來的跟蹤瞄準(zhǔn)問題以及與組網(wǎng)載荷協(xié)同工作問題。

　　本文通過簡(jiǎn)介高速空間激光通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用在空天信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)面臨的主要問題，給出高速空間激光通信系統(tǒng)在空天信息網(wǎng)的主要應(yīng)用場(chǎng)景，并提出了空天信息網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的雙通信載荷結(jié)構(gòu)。高速空間激光通信系統(tǒng)作為主要通信載荷負(fù)責(zé)高速數(shù)據(jù)的收發(fā)，低速控制鏈路作為次要通信載荷負(fù)責(zé)與對(duì)方節(jié)點(diǎn)互相認(rèn)證和交換位置等。同時(shí)還給出了高速空間激光通信系統(tǒng)與組網(wǎng)載荷的協(xié)同工作機(jī)制與空天信息網(wǎng)的通信協(xié)議模型，并進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該工作機(jī)制與協(xié)議模型完全適用于高速空間激光系統(tǒng)在空天信息網(wǎng)中的應(yīng)用，可支持高速率數(shù)據(jù)傳輸。