衛(wèi)星通信技術(shù)分析，衛(wèi)星通信方式概述

• 楊興杰 2023年8月21日 來源：中研網(wǎng) 1218 79
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衛(wèi)星的通信方式主要可分為2種，包括使用電磁波進(jìn)行通信，以及使用光進(jìn)行通信。進(jìn)一步細(xì)分又可分為微波通信、太赫茲通信、激光通信和量子通信。其中，微波通信和激光通信是目前最成熟、最常用的應(yīng)用于空間的網(wǎng)絡(luò)手段。

一、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的通信技術(shù)：按通信介質(zhì)可分為電磁波通信和光通信。

衛(wèi)星的通信方式主要可分為2種，包括使用電磁波進(jìn)行通信，以及使用光進(jìn)行通信。進(jìn)一步細(xì)分又可分為微波通信、太赫茲通信、激光通信和量子通信。其中，微波通信和激光通信是目前最成熟、最常用的應(yīng)用于空間的網(wǎng)絡(luò)手段。太赫茲是電磁波的一種，相比于量子通信的通信速率，太赫茲通信的通信速率普遍更快。量子通信主要通過光進(jìn)行信息傳播，器件成熟度還未達(dá)到可工業(yè)使用的要求。

目前最成熟的通信方式是微波通信。微波通信在器件、算法等各方面的發(fā)展都已經(jīng)較為成熟。但同時(shí)，微波通信也存在一些不足之處：1）長距離傳輸需要較高的功耗，傳輸速率也會受到限制。2）由于星際環(huán)境復(fù)雜多變，微波通信需要申請?zhí)囟ǖ念l段，避免與相鄰衛(wèi)星通信頻率重疊，以防止信號干擾。

激光通信技術(shù)日益成熟，在星間通信中的使用逐步增多。激光通信受益于地面的光纖通信對產(chǎn)業(yè)鏈的催化，其優(yōu)勢為傳輸速率高、無頻段限制，且對其他任何星間通信不會造成干擾，但其對鏈路的建立過程有非常高的要求，一般只能一對一的傳輸。

二、微波通信：通信頻段向高頻拓展

1.衛(wèi)星波束的覆蓋形式

點(diǎn)波束（指向波束）：基于數(shù)字波束成形的指向波束，點(diǎn)波束總是指向用戶。由于點(diǎn)波束功率遠(yuǎn)超寬波束，因此點(diǎn)波束能夠?qū)崿F(xiàn)更高效的調(diào)制和編碼，具有每秒百兆比特的通信容量。

寬波束：固定指向，主要用于傳輸控制命令。寬波束間支持波束切換，寬波束較大的覆蓋范圍可以降低不同波束切換頻率。

2.衛(wèi)星使用微波通信搭載的設(shè)備組件

微波通信：微波通信將微波作為傳輸?shù)慕橘|(zhì)，而無需使用固體介質(zhì)。微波具有頻率高、波長短的特點(diǎn)，在空氣中直線傳播，遇到障礙物會被反射或阻斷。

三、激光通信：實(shí)現(xiàn)星間高速通信的重要方式

激光通信概述：衛(wèi)星激光通信是利用激光光束在衛(wèi)星間或者衛(wèi)星與地面之間傳遞信號的方式。區(qū)別于微波通信，激光光束在空間中充當(dāng)信息的傳輸載體。目前，空間激光通信系統(tǒng)主要使用半導(dǎo)體激光器作為光源，而激光通信系統(tǒng)的波長通常選擇在0.8~1.0μ波段之間。

1.激光通信的技術(shù)優(yōu)勢

頻帶寬度大，鏈路通信容量較大；

波束發(fā)散角度小，方向性強(qiáng)，具備良好的抗干擾和防截獲性能，系統(tǒng)安全性高；

設(shè)備之間沒有微波信號干擾，無需申請空間頻率使用許可證。然而，由于激光光束較窄，對準(zhǔn)、捕獲和跟蹤是激光通信系統(tǒng)需要應(yīng)對的重要問題。因此，激光跟蹤技術(shù)是星際激光鏈路的關(guān)鍵技術(shù)之一。將微波通信技術(shù)和激光通信技術(shù)相結(jié)合已成為星座組網(wǎng)的主流，以滿足大規(guī)?？焖侔l(fā)展的衛(wèi)星通信星座對更高的測量精度和更快的通信速率的需求。

2.激光通信：通信體制&捕獲方式

通信體質(zhì)：非相干通信&相干通信：空間激光通信共有兩種最常用的通信體制，包括：相干通信、非相干通信。目前，相干通信和非相干通信都已在國際上完成在軌關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，并開始了大規(guī)模的組網(wǎng)建設(shè)部署階段。相比之下，在工程應(yīng)用場景中，相干體制適用于鏈路距離較遠(yuǎn)且速率較高的情況，而非相干體制則適用于鏈路距離較近且速率較低的情況。

對準(zhǔn)捕獲方式：信標(biāo)光&非信標(biāo)光

“信標(biāo)光+信號光”捕獲方案是指激光通信終端使用單獨(dú)的信標(biāo)光。通過使用較寬的信標(biāo)光束按照一定的掃描方式對不確定區(qū)域進(jìn)行掃描。終端使用大視場的捕獲探測器來監(jiān)測接收信標(biāo)光的質(zhì)心位置，以實(shí)現(xiàn)對信標(biāo)光的捕獲和跟蹤，進(jìn)而將信號光引導(dǎo)至跟蹤探測器接收視場，進(jìn)行精確跟蹤，最終實(shí)現(xiàn)激光建立通信鏈路。

“非信標(biāo)光"捕跟方案則是指在工作過程中不使用信標(biāo)光，直接使用信號光進(jìn)行掃描，并通過對信號光進(jìn)行分光，實(shí)現(xiàn)光通信終端之間的捕獲和跟蹤功能。

3.激光通信：關(guān)鍵組件可分為五類

激光通信一般都會包括以下關(guān)鍵組件：激光發(fā)射器、發(fā)射光學(xué)鏡頭、接收光學(xué)鏡頭、激光接收器、控制硬件。

激光發(fā)射器：用于生成和調(diào)制激光信號，可以是單個激光器，也可以是多個激光器，也可以是相控陣或泛光面陣等不同結(jié)構(gòu)。激光發(fā)射器利用成熟的地面光纖技術(shù)，可以提高數(shù)據(jù)傳輸速率。

發(fā)射光學(xué)鏡頭：發(fā)射光學(xué)鏡頭是激光信號從發(fā)射器傳輸?shù)阶杂煽臻g需要一種裝置，它可以是固定的鏡頭，也可以是可調(diào)節(jié)的鏡頭，也可以是可以旋轉(zhuǎn)或者基于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的鏡子。這些發(fā)射光學(xué)鏡頭的作用是控制激光束的方向、擴(kuò)散角度和功率密度。

接收光學(xué)鏡頭：接收光學(xué)鏡頭用于將自由空間中的激光信號集中到接收器上的裝置。它可以是固定的鏡頭，也可以是可調(diào)節(jié)的鏡頭，也可以是可以旋轉(zhuǎn)或者基于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的鏡子。接收光學(xué)鏡頭的功能是增加接收器的有效面積，降低背景噪聲并提高信噪比。

激光接收器：激光接收器是一種用于探測和增強(qiáng)激光信號的裝置，可以是單個探測器，也可以是多個探測器，也可以是陣列或相機(jī)等結(jié)構(gòu)。激光接收器通常分為兩種類型：直接檢測（如PIN二極管）和外差檢測（如雪崩二極管或單光子計(jì)數(shù)器）。

控制硬件：這種設(shè)備被用來管理發(fā)射器和接收器，處理激光信號，并維護(hù)通信鏈路等任務(wù)。通常，控制硬件由數(shù)字信號處理器（DSP）、激光驅(qū)動器、可變跨導(dǎo)放大器（TIA）等通信接口組成。

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