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

　　針對高速空間激光通信系統(tǒng)應用時面臨的主要問題：節(jié)點高速運動的跟蹤瞄準和與組網(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)點主要通信載荷的雙通信載荷結構，并設計了高速空間激光通信系統(tǒng)與組網(wǎng)載荷協(xié)同工作機制和協(xié)議模型，依據(jù)協(xié)議模型進行了原理樣機開發(fā)與試驗。試驗結果表明，提出的協(xié)同工作機制與協(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MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)速率可達1.772Gb/s，平均處理時延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、高空飛艇等，主要利用高速或低速的微波鏈路與對應的地面站通信形成“煙囪”式的應用模式；或者通過地面網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)連接與信息共享，組成“天星地網(wǎng)”的應用形式。在某些應用中，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，但是這種數(shù)據(jù)中繼服務還不能稱為空間網(wǎng)絡。

　　近年來，天基與空基的飛行器通過高速鏈路進行組網(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)絡化發(fā)展趨勢。由于具有諸多優(yōu)勢，空天信息網(wǎng)在軍事、民用和科研領域有非常廣闊的應用前景�？仗煨畔⒕W(wǎng)是從天基綜合信息網(wǎng)絡的概念發(fā)展與演變而來的�？仗煨畔⒕W(wǎng)絡中的節(jié)點除了各種高度的衛(wèi)星和航天飛行器外，還包括空基的臨近空間平臺、有人駕駛或無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)絡節(jié)點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)與在軌信息應用等。

　　空天信息網(wǎng)絡的準確定義是由多個空基與天基的飛行器進行互連互通，以空間信息的傳輸與交換為基礎，以空間信息的處理與應用為核心，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)絡信息基礎設施。通過網(wǎng)關等設施，空天信息網(wǎng)絡能和地面網(wǎng)絡進行互聯(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)點之間必須部署具有超高速比特傳輸能力的點對點通信鏈路。

　　超高速微波通信由于頻率和眾所周知的技術難度，速率提升空間有限。以微波為載體的通信技術已經不能滿足未來空天信息網(wǎng)絡的發(fā)展，隨著衛(wèi)星激光通信關鍵技術的突破和激光所具有的優(yōu)勢逐步體現(xiàn)，面對日益增長的高數(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)來實現(xiàn)骨干網(wǎng)絡節(jié)點之間的互連。對于空間激光通信系統(tǒng)的關鍵技術研究在國內外開展如火如荼，本文介紹了高速空間激光通信系統(tǒng)的體系結構及其應用在空天信息網(wǎng)絡時面臨的主要問題。在分析空天信息網(wǎng)絡骨干層節(jié)點鏈路需求的基礎上討論了如何在空天信息網(wǎng)絡中應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個或多個終端之間利用激光束作為信息載體實現(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)勢明顯，例如：抗干擾能力強、安全性好、設備體積小、質量輕、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、對準（ATP）分系統(tǒng)。通信分系統(tǒng)實現(xiàn)基帶數(shù)據(jù)輸入輸出控制與調制解調。以及極窄信號光發(fā)射/接收等功能。APT分系統(tǒng)實現(xiàn)立體空間內通信雙方快速、高概率捕獲和在相對運動和平臺振動條件下的高精度、動態(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個光路，其中，信號光用于傳輸高速數(shù)據(jù)信標光用于APT系統(tǒng)進行對準。超高速激光通信系統(tǒng)工作過程主要分為4個步驟：系統(tǒng)預熱、捕獲過程、跟蹤與瞄準過程和數(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。

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

　　1、節(jié)點運動

　　空天信息網(wǎng)中的所有節(jié)點都處于有規(guī)律的高速運動（軌道運動），因此節(jié)點的位置可以根據(jù)初應用光學胡鶴飛等高速空間激光通信系統(tǒng)在空天信息網(wǎng)中的應用始位置和軌道信息進行計算。因此，需要在APT分系統(tǒng)中增加對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)的應用

　　1、工作機制

　　空天信息網(wǎng)的節(jié)點包括天基網(wǎng)絡節(jié)點與空基網(wǎng)絡節(jié)點，決定節(jié)點所部署鏈路的因素很多，主要有平臺能力、節(jié)點功能、運動速度與軌道高度等。根據(jù)空天信息網(wǎng)節(jié)點類型與鏈路特點，高速空間激光通信系統(tǒng)可部署在GEO軌道節(jié)點，MEO軌道節(jié)點與鄰近空間節(jié)點上，主要為這些相對穩(wěn)定節(jié)點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個節(jié)點在通信分系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸前，需要由APT分系統(tǒng)對對方進行跟蹤與鎖定。因此，組網(wǎng)載荷需要向高速空間激光通信系統(tǒng)輸入對方節(jié)點的位置信息，供APT分系統(tǒng)使用。完整的位置信息應包括對方節(jié)點的三維位置、節(jié)點姿態(tài)、軌道參數(shù)等。

　　空天信息網(wǎng)網(wǎng)絡節(jié)點間必須建立安全可信的網(wǎng)絡連接。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)點還必須與對方節(jié)點建立系統(tǒng)級的可信關系，即通信節(jié)點雙方互相進行安全認證以保證對方節(jié)點可以安全地訪問。因此，組網(wǎng)載荷啟動高速空間激光通信系統(tǒng)進行工作前，需要考慮利用其他的通信鏈路交換信息。這些信息包括對方節(jié)點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。

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

　　采取全向天線，并覆蓋盡可能大的面積；

　　無信道競爭保證控制信息傳送；

　　提供控制信息傳輸所需的最低速率。

　　滿足上述技術要求的通信鏈路可以考慮作為控制鏈路使用，例如戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)。因此，空天信息網(wǎng)絡中使用高速空間激光通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡節(jié)點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)進行控制信息傳輸，包括：

　　輸入對方節(jié)點位置姿態(tài)軌道等初始工作信息；

　　輸入控制命令；

　　監(jiān)視工作狀態(tài)。

　　當組網(wǎng)載荷進行空天通信網(wǎng)絡節(jié)點間組網(wǎng)和通信時，需要先后驅動2個通信載荷協(xié)調工作.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)送預熱命令，指示高速空間激光通信系統(tǒng)進行系統(tǒng)預熱，以節(jié)約組網(wǎng)載荷等應用光學胡鶴飛等高速空間激光通信系統(tǒng)在空天信息網(wǎng)中的應用待時間。在高速空間激光通信系統(tǒng)進行預熱時，組網(wǎng)載荷通過低速控制鏈路與對方節(jié)點進行相互身份認證，并交換彼此位置信息。高速空間激光通信系統(tǒng)完成預熱后，通過控制接口向組網(wǎng)載荷進行應答，向組網(wǎng)載荷通知高速空間激光通信系統(tǒng)已完成預熱。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，其中應包含對方節(jié)點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)開始進行捕獲與跟蹤。APT分系統(tǒng)在完成精跟蹤過程并與對方節(jié)點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)載荷應答，向組網(wǎng)載荷通知高速空間激光通信系統(tǒng)已進入鏈路就緒狀態(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)絡節(jié)點組網(wǎng)載荷的原理樣機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)載荷原理樣機與接口板

　　空天通信網(wǎng)絡節(jié)點組網(wǎng)載荷原理樣機的高速背板具有多個高速接口，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行直接交換，不需要軟件控制。接口板的多個并行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)絡節(jié)點的主要通信載荷，與組網(wǎng)載荷協(xié)同工作。空天通信網(wǎng)絡的通信協(xié)議模型如圖5所示。

　　圖5 空天信息網(wǎng)絡通信協(xié)議模型

　　在協(xié)議模型中，組網(wǎng)載荷負責數(shù)據(jù)鏈路層以上的功能。低速控制鏈路部分有3層結構：物理層提供對等節(jié)點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控制實體。不同的控制實體具有不同的控制功能。本文所涉及到的控制實體包括認證實體，管理實體和位置實體，分別負責認證功能、網(wǎng)絡管理功能和位置功能。隨著空天信息網(wǎng)絡的研究深入，在控制層中可以隨著功能的擴展添加更多的控制實體。

　　3、試驗

　　基于此協(xié)議模型，我們進行了協(xié)議棧開發(fā)并進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，試驗的連接如圖6所示。

　　圖6 空間激光通信系統(tǒng)與組網(wǎng)載荷試驗

　　在試驗中，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作為高速數(shù)據(jù)源，視頻顯示器作為數(shù)據(jù)的宿點。整個試驗裝置由2個仿真節(jié)點組成，分別仿，2個地球同步軌道與地球靜止軌道的2個節(jié)點.仿真節(jié)點由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。試驗過程中，仿真節(jié)點的組網(wǎng)載荷完成雙方節(jié)點的身份認證，并將對方節(jié)點的位置、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。在收到應答確認后，VGA攝像頭產生的視頻信號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行傳輸，并顯示在對等節(jié)點的顯示器上。在試驗中，VGA攝像頭產生的數(shù)據(jù)速率經測試為約1.6Gb/s。

　　為測試實驗系統(tǒng)的最高數(shù)據(jù)傳輸速率，我們采用思博倫TestCenter網(wǎng)絡測試儀，對圖6中的系統(tǒng)進行了測試.在測試中，我們?yōu)樗疾﹤怲estCenter網(wǎng)絡測試儀配置的是CM-1G-D4模塊，通過兩，1.25Gbit光接口產生高速數(shù)據(jù)流。在2個組網(wǎng)載荷之間通過空間激光鏈路模擬器的最高MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)速率為1.772Gb/2，平均時延20μs。

　　三、結束語

　　高速空間激光通信系統(tǒng)能提供Gbit級的數(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)相對穩(wěn)定的節(jié)點間提供高速連接，實現(xiàn)高速穩(wěn)定的帶寬。高速空間激光通信系統(tǒng)應用在空天信息網(wǎng)時，主要要解決節(jié)點高速運動帶來的跟蹤瞄準問題以及與組網(wǎng)載荷協(xié)同工作問題。

　　本文通過簡介高速空間激光通信系統(tǒng)的結構及其應用在空天信息網(wǎng)絡時面臨的主要問題，給出高速空間激光通信系統(tǒng)在空天信息網(wǎng)的主要應用場景，并提出了空天信息網(wǎng)節(jié)點的雙通信載荷結構。高速空間激光通信系統(tǒng)作為主要通信載荷負責高速數(shù)據(jù)的收發(fā)，低速控制鏈路作為次要通信載荷負責與對方節(jié)點互相認證和交換位置等。同時還給出了高速空間激光通信系統(tǒng)與組網(wǎng)載荷的協(xié)同工作機制與空天信息網(wǎng)的通信協(xié)議模型，并進行了仿真試驗。試驗結果表明，該工作機制與協(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)中的應用，可支持高速率數(shù)據(jù)傳輸。