高速空间激光通信系统在空天信息网的应用

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　　针对高速空间激光通信系统应用时面临的主要问题：节点高速运动的跟踪瞄准和与组网载荷协同工作，提出将高速空间激光通信系统作为节点主要通信载荷的双通信载荷结构，并设计了高速空间激光通信系统与组网载荷协同工作机制和协议模型，依据协议模型进行了原理样机开发与试验。试验结果表明，提出的协同工作机制与协议模型能很好地适用于高速空间激光系统，支持超高速率数据传输，最高MAC层协议数据速率可达1.772Gb/s，平均处理时延20μs。

　　目前，天基与空基的人造飞行器例如地球轨道卫星（GEO）、低轨道卫星（LEO）航天飞机、高空飞艇等，主要利用高速或低速的微波链路与对应的地面站通信形成“烟囱”式的应用模式；或者通过地面网络进行数据连接与信息共享，组成“天星地网”的应用形式。在某些应用中，尽管一些卫星可以为其他天基飞行器提供数据中继服务，但是这种数据中继服务还不能称为空间网络。

　　近年来，天基与空基的飞行器通过高速链路进行组网，并赋予飞行器智能化信息处理能力即形成空天信息网是未来空间网络化发展趋势。由于具有诸多优势，空天信息网在军事、民用和科研领域有非常广阔的应用前景。空天信息网是从天基综合信息网络的概念发展与演变而来的。空天信息网络中的节点除了各种高度的卫星和航天飞行器外，还包括空基的临近空间平台、有人驾驶或无人驾驶的航空飞行器等。空天信息网除了包括各种类型网络节点的互连与通信外还能够提供在轨信息获取、在轨信息处理、在轨信息分发与在轨信息应用等。

　　空天信息网络的准确定义是由多个空基与天基的飞行器进行互连互通，以空间信息的传输与交换为基础，以空间信息的处理与应用为核心，以支持未来全空间军事与民用使命为目的的大型空间网络信息基础设施。通过网关等设施，空天信息网络能和地面网络进行互联互通。为提供大容量的信息吞吐能力与高速的信息处理能力，空天信息网的骨干节点之间必须部署具有超高速比特传输能力的点对点通信链路。

　　超高速微波通信由于频率和众所周知的技术难度，速率提升空间有限。以微波为载体的通信技术已经不能满足未来空天信息网络的发展，随着卫星激光通信关键技术的突破和激光所具有的优势逐步体现，面对日益增长的高数据率和大通信容量的需求，空天信息网将更多采用空间激光通信系统来实现骨干网络节点之间的互连。对于空间激光通信系统的关键技术研究在国内外开展如火如荼，本文介绍了高速空间激光通信系统的体系结构及其应用在空天信息网络时面临的主要问题。在分析空天信息网络骨干层节点链路需求的基础上讨论了如何在空天信息网络中应用超高速空间激光通信系统，并给出采用超高速空间激光通信系统时空天信息网的通信模型。

　一、高速空间激光通信系统

　　空间激光通信是指在2个或多个终端之间利用激光束作为信息载体实现通信。激光的高度相干性和空间定向性决定了空间激光通信与微波通信相比在许多方面优势明显，例如：抗干扰能力强、安全性好、设备体积小、质量轻、功耗低等。

　　空间激光通信系统从功能上分为通信分系统和捕获、跟踪、对准（ATP）分系统。通信分系统实现基带数据输入输出控制与调制解调。以及极窄信号光发射/接收等功能。APT分系统实现立体空间内通信双方快速、高概率捕获和在相对运动和平台振动条件下的高精度、动态跟踪。超高速空间激光通信系统的组成如图1所示。

　　图1 高速空间激光通信系统组成

　　高速空间激光通信系统在通信双方间有2个光路，其中，信号光用于传输高速数据信标光用于APT系统进行对准。超高速激光通信系统工作过程主要分为4个步骤：系统预热、捕获过程、跟踪与瞄准过程和数据传输。因此，高速空间激光通信系统还需要输入通信双方的初始位置信息，用于捕获与跟踪。

　　在实际应用中，高速空间激光通信系统作为星间链路使用时，需要克服的问题主要是太阳光为地球表面的云层、积雪和海洋反射所产生的强烈背景辐射；作为星地链路使用时，需要克服的主要问题是激光穿越大气层引起的衰减严重和大气信道随机性问题。高速空间激光通信系统部署在空天信息网中时，2个重要问题是：

　　1、节点运动

　　空天信息网中的所有节点都处于有规律的高速运动（轨道运动），因此节点的位置可以根据初应用光学胡鹤飞等高速空间激光通信系统在空天信息网中的应用始位置和轨道信息进行计算。因此，需要在APT分系统中增加对轨道信息的处理能力。

　　2、与组网载荷的集成

　　组网载荷的功能是控制链路进行组网，还可以包括数据交换与数据路由。高速空间激光通信系统作为通信物理层，必须与组网载荷高效集成，构成完整的协议栈。

　二、高速空间激光通信系统在空天信息网的应用

　　1、工作机制

　　空天信息网的节点包括天基网络节点与空基网络节点，决定节点所部署链路的因素很多，主要有平台能力、节点功能、运动速度与轨道高度等。根据空天信息网节点类型与链路特点，高速空间激光通信系统可部署在GEO轨道节点，MEO轨道节点与邻近空间节点上，主要为这些相对稳定节点之间提供同轨面的高速数据传输。

　　装载了高速空间激光通信系统的2个节点在通信分系统进行数据传输前，需要由APT分系统对对方进行跟踪与锁定。因此，组网载荷需要向高速空间激光通信系统输入对方节点的位置信息，供APT分系统使用。完整的位置信息应包括对方节点的三维位置、节点姿态、轨道参数等。

　　空天信息网网络节点间必须建立安全可信的网络连接。因此，除了APT分系统需要输入的位置信息，在APT分系统工作前，空天通信网的节点还必须与对方节点建立系统级的可信关系，即通信节点双方互相进行安全认证以保证对方节点可以安全地访问。因此，组网载荷启动高速空间激光通信系统进行工作前，需要考虑利用其他的通信链路交换信息。这些信息包括对方节点的身份信息和位置信息等交换这些信息的通信链路可被定义为控制链路。

　　在进行实际部署前，我们不需要指定这条控制链路具体采用什么通信技术，但这条控制链路的一些技术需求如下：

　　采取全向天线，并覆盖尽可能大的面积；

　　无信道竞争保证控制信息传送；

　　提供控制信息传输所需的最低速率。

　　满足上述技术要求的通信链路可以考虑作为控制链路使用，例如战术数据链系统。因此，空天信息网络中使用高速空间激光通信系统的网络节点至少装备有两种类型的通信载荷，分别是高速空间激光通信系统载荷和某低速控制链路载荷。组网载荷与两种通信载荷之间的关系可如图2所示。

　　图2 组网载荷与种通信载荷

　　在图2中，组网载荷与高速空间激光通信系统之间有，2接口，分别为数据接口与控制接口。数据接口用于组网载荷与高速空间激光通信系统的通信分系统进行通信数据传输；控制接口用于组网载荷与高速空间激光通信系统的APT分系统进行控制信息传输，包括：

　　输入对方节点位置姿态轨道等初始工作信息；

　　输入控制命令；

　　监视工作状态。

　　当组网载荷进行空天通信网络节点间组网和通信时，需要先后驱动2个通信载荷协调工作.工作的流程如图3所示。

　　图3 组网载荷与高速空间激光通信系统工作流程

　　在图3中，组网载荷首先通过控制接口向高速空间激光通信系统发送预热命令，指示高速空间激光通信系统进行系统预热，以节约组网载荷等应用光学胡鹤飞等高速空间激光通信系统在空天信息网中的应用待时间。在高速空间激光通信系统进行预热时，组网载荷通过低速控制链路与对方节点进行相互身份认证，并交换彼此位置信息。高速空间激光通信系统完成预热后，通过控制接口向组网载荷进行应答，向组网载荷通知高速空间激光通信系统已完成预热。组网载荷通过控制接口向高速空间激光通信系统发送捕获命令，其中应包含对方节点的位置信息和本站姿态信息等参数。高速空间激光通信系统的APT分系统开始进行捕获与跟踪。APT分系统在完成精跟踪过程并与对方节点的高速空间激光通信系统锁定后，高速空间激光通信系统通过控制接口向组网载荷应答，向组网载荷通知高速空间激光通信系统已进入链路就绪状态，数据接口可以发送和接收数据。完成上述过程后，组网载荷通过高速空间激光通信系统的数据接口发送和接收数据。在发送和接收数据的过程中，组网载荷可以随时通过高速空间激光通信系统的控制接口查询链路信息。

　　图4展示了可作为空天通信网络节点组网载荷的原理样机和其中与高速空间激光通信系统连接的接口板。

　　图4  组网载荷原理样机与接口板

　　空天通信网络节点组网载荷原理样机的高速背板具有多个高速接口，可根据需求装配多块接口板。通过高速背板与交换板，数据可以在接口板之间进行直接交换，不需要软件控制。接口板的多个并行SMA接口可分别与通信链路载荷|（包括微波和激光两种体制）和控制链路载荷连接。

　　2、空天信息网络协议模型

　　高速空间激光通信系统作为空天信息网络节点的主要通信载荷，与组网载荷协同工作。空天通信网络的通信协议模型如图5所示。

　　图5 空天信息网络通信协议模型

　　在协议模型中，组网载荷负责数据链路层以上的功能。低速控制链路部分有3层结构：物理层提供对等节点之间可靠的物理连接：数据控制层保证控制信息的可靠传递控制体层可包括多个控制实体。不同的控制实体具有不同的控制功能。本文所涉及到的控制实体包括认证实体，管理实体和位置实体，分别负责认证功能、网络管理功能和位置功能。随着空天信息网络的研究深入，在控制层中可以随着功能的扩展添加更多的控制实体。

　　3、试验

　　基于此协议模型，我们进行了协议栈开发并进行了空间高速激光通信系统与组网载荷协同工作的数据传输试验，试验的连接如图6所示。

　　图6 空间激光通信系统与组网载荷试验

　　在试验中，我们开发了空间激光链路模拟器，用于模拟高速空间激光通信系统。采用VGA摄像头采集的视频信号作为高速数据源，视频显示器作为数据的宿点。整个试验装置由2个仿真节点组成，分别仿，2个地球同步轨道与地球静止轨道的2个节点.仿真节点由A组网载荷、空间激光链路模拟器、VGA摄像头与视频处理单元组成，仿真节点由B组网载荷、空间激光链路模拟器、视频显示器与视频处理单元组成。试验过程中，仿真节点的组网载荷完成双方节点的身份认证，并将对方节点的位置、姿态、轨道等参数输入到空间激光链路模拟器中，由空间激光链路模拟器完成激光链路工作模拟。在收到应答确认后，VGA摄像头产生的视频信号被视频处理单元采集为高速数据流，通过接口板输入到空间激光链路模拟器中进行传输，并显示在对等节点的显示器上。在试验中，VGA摄像头产生的数据速率经测试为约1.6Gb/s。

　　为测试实验系统的最高数据传输速率，我们采用思博伦TestCenter网络测试仪，对图6中的系统进行了测试.在测试中，我们为思博伦TestCenter网络测试仪配置的是CM-1G-D4模块，通过两，1.25Gbit光接口产生高速数据流。在2个组网载荷之间通过空间激光链路模拟器的最高MAC层协议数据速率为1.772Gb/2，平均时延20μs。

　　三、结束语

　　高速空间激光通信系统能提供Gbit级的数据传输速率，可作为主要通信载荷在空天信息网中使用，为空天信息网相对稳定的节点间提供高速连接，实现高速稳定的带宽。高速空间激光通信系统应用在空天信息网时，主要要解决节点高速运动带来的跟踪瞄准问题以及与组网载荷协同工作问题。

　　本文通过简介高速空间激光通信系统的结构及其应用在空天信息网络时面临的主要问题，给出高速空间激光通信系统在空天信息网的主要应用场景，并提出了空天信息网节点的双通信载荷结构。高速空间激光通信系统作为主要通信载荷负责高速数据的收发，低速控制链路作为次要通信载荷负责与对方节点互相认证和交换位置等。同时还给出了高速空间激光通信系统与组网载荷的协同工作机制与空天信息网的通信协议模型，并进行了仿真试验。试验结果表明，该工作机制与协议模型完全适用于高速空间激光系统在空天信息网中的应用，可支持高速率数据传输。