ETSVI卫星上激光通信设备性能评估.doc

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1、ETS-VI卫星上激光通信设备性能评估摘要通信研究实验室CRL开发了一种在工程测试卫星VI(ETS-VI)上应用的激光通信实验设备（LCE）和一种为了建立光学卫星通信基础技术的地面系统。使用地对空激光链接的实验在1994年12月便开始了。本文通过部分基础实验数据对LCE的基本性能进行了评估,其中包括操作简介，数据采集系统，采集、追踪、指示系统性能以及通信系统性能。关键字：激光通信，卫星链接，机载设备，ETS-VI，LCE1．引言由于能提供高速数据传输和大容量的通信能力，仅需要简单而轻便的设备，而且相互之间无干扰等优点,激光通信在未来空间活动中将扮

2、演重要角色，通信研究实验室（CRL）早在19世纪70年代初便开始研究和开发空间激光传输技术的项目，目前基于应用卫星的激光通信实验正在进行当中。在CRL，第一个使用日本工程测试卫星VI(ETS-VI)的实验从1994年12月便开始进行，它的雏形是由CRL开发的光学通信负载设备。ETS-VI由日本国家空间开发小组(NASDA)通过H-ll成功发射。然而，由于液体远地点的动力问题，卫星未能进入既定的地球同步轨道。ETS-VI进入了另一个适合通信实验的三天为一周期的轨道，这个轨道能够减少由于范·亚伦辐射带引起的太阳能桨能量的退化。在日本，实验时间被规定为

3、每三天中大约三小时。由于卫星轨道相对地面站位置的改变，卫星每三天获得提前12分钟的过渡时间。仅当天气条件满足光线在实验的时候按既定方向传播，激光传输实验记录才能进行。ETS-VI/LCE实验的目的是对光学卫星通信系统基础技术进行评价及通过进行机载光学系统的科学工程实验获取技术数据。一些关于1）光线采集、追踪、指示2）双向光学通信3）立体形态测量4）光线类型测量5）激光传输测量6）空间光学设备性能等方面的实验已经开始进行了。在本文中，通过部分基础实验数据对LCE的性能进行初步评价，其中包括操作简介，数据采集系统，采集、追踪、指示系统性能以及通信系统

4、性能。2．数据采集系统在ETS-VI上，激光通信设备的数据采集系统如图1所示。当地面站能清晰地观测到卫星并且卫星始终指向地面站的时候，实验便可以进行了。波长为0.83um的激光二极管被用做下行线路传输，波长0.5145um的氩离子激光器被用做上行线路传输。位于东京的CRL的主要光学地面站能精确的追踪ETS-VI，它配备有直径1.5m的接收望远镜，0.2m的传输望远镜，10瓦的氩离子电子通信和光学处理激光器。来自ETS-VI的光线被相同的望远镜接收。被接收光线的位置是由QD确定的，它是用来减少由于望远镜平衡架抬升偏紧及激光偏转引起的指向错误。尽管L

5、CE非常轻，但是它设计时已经包含了光学卫星通信和其他科学工程实验的基本原理。LCE的系统结构如图2所示，其中包含了一个平面平衡镜，直径7.5cm的望远镜，采集传感器（CCD:电子耦合器件ChargeCoupledDevice）精密指示机构和追踪传感器（QD:象限检波QuadrantDetector）,包括LDS,APD（雪崩二极管）,PAM（前置机构）的通信电子元件和PAM控制的QD。表1显示了LCE的主要性能指标。LCE的总重量约为22kg，激光束的传输和接收由卫星盒外的部件完成，它是LCE的感光部分，这个光学装置被安装在ETS-VI地面定位板

6、的中心，一些电子元件被安装在卫星盒内。图3显示了水平长度为60cm的光学部件的外观，它约重13kg。上面的覆盖物是用作为出现阳光反射差错及与其它附近装置分散时的缓冲器。由于大气湍流引起的上行线路激光束的剧烈抖动，在LCE的光学传感器上收到的光强任意波动如图4所示。图5显示了在不同激光偏转条件下，QD精密追踪时收到的激光亮度水平的递增可能。传输望远镜的激光孔径被设置在大约15cm，Fried观测参数r0为3cm。通过大气的激光光强变化呈现一种标准的对数分布。这种分布的结果充分验证了理论上的假设，这对于光线链接条件下空间中LCE性能评估是十分必要的。

7、3.采集、追踪、指示系统性能LCE的视线（LOS）位置能够通过地面站上的公共控制系统进行人工控制。如果CCD和QD检测到上行线路光线，LOS将由LCE上的闭环跟踪控制系统固定。图6显示了空间中LCE的平面平衡架指示范围。由于平衡架发射锁装置的拉紧线未完全放开，这个范围内能指示比设计更狭窄时的情况。它被认为是第一象限的严格限制，然而，在实验中一般没有什么特殊的问题。图7展现了在实验中一个平衡架追踪角度的例子。它能够成功的追踪由于月球对卫星的地球传感器带来的影响而产生的卫星漂移动向。图8和图9是由CCD粗略追踪传感器和QD精密追踪传感器各自检测到的接

8、收光强示意图。由于大气湍流引起上行激光束的剧烈衰减和抖动，精密追踪回路不是完全稳定的，仅当精密追踪回路偶尔锁定在1TLMV时能观测到巨大