《卫星激光通信地面检测技术》围绕卫星激光通信系统地面检测的技术需求，介绍及分析了相关理论和方法。《卫星激光通信地面检测技术》共5章，包括卫星激光通信系统概念及国内外发展现状、卫星激光通信系统设计基础、通信光端机地面参数检测、通信光端机地面模拟测试、卫星激光通信系统整体模拟测试。

目录
序
前言
第1章 绪论 1
1.1 卫星激光通信系统概念 1
1.1.1 卫星激光通信系统基本概念 1
1.1.2 卫星激光通信系统基本组成 3
1.1.3 卫星激光通信系统地面检测/模拟概念 6
1.2 国内外发展现状 7
1.2.1 国内外卫星激光通信系统发展现状 7
1.2.2 国内外地面检测与模拟技术发展现状 18
参考文献 28
第2章 卫星激光通信系统设计基础 33
2.1 设计约束条件 33
2.1.1 卫星平台——链路分类 33
2.1.2 平台振动特性 35
2.1.3 平台运动特性 36
2.1.4 背景杂光 37
2.1.5 信道特性 38
2.1.6 空间环境 39
2.2 通信链路计算及系统设计 41
2.2.1 空间激光通信系统构成 42
2.2.2 链路功率计算 42
2.2.3 光学分系统 50
2.2.4 捕获跟踪分系统 64
2.2.5 通信分系统 70
2.3 基本技术指标分析 81
2.3.1 光学性能指标 81
2.3.2 捕跟性能指标 86
2.3.3 通信性能指标 91
参考文献 95
第3章 通信光端机地面参数检测 96
3.1 光机分系统测试 96
3.1.1 光学口径测量 96
3.1.2 束散角测量 99
3.1.3 视场角测量 103
3.1.4 同轴精度测量 104
3.1.5 发射透过率测试 109
3.1.6 收发隔离度测试 113
3.1.7 偏振特性测试 114
3.2 捕跟性能测试 116
3.2.1 捕跟分系统光源性能测试 116
3.2.2 捕获时间与捕获概率测试 117
3.2.3 跟踪精度测试 120
3.2.4 捕跟灵敏度测试 122
3.2.5 波束指向精度测试 123
3.3 通信性能测试 126
3.3.1 通信分系统光源性能测试 126
3.3.2 调制特性测试 131
3.3.3 放大特性测试 135
3.3.4 接收特性测试 138
3.4 总结.142
参考文献 142
第4章 通信光端机地面模拟测试 143
4.1 室内远场模拟 143
4.1.1 远场模拟概述 143
4.1.2 远场模拟原理 144
4.1.3 远场模拟方法 148
4.2 轨道运动模拟 155
4.2.1 轨道运动模拟概述 155
4.2.2 轨道运动模拟原理 155
4.2.3 轨道运动模拟方法 166
4.3 平台振动模拟 174
4.3.1 平台振动模拟概述 174
4.3.2 振动模拟原理 174
4.3.3 平台振动模拟方法 178
4.4 背景光模拟 182
4.4.1 背景光模拟概述 182
4.4.2 背景光噪声相关理论 182
4.4.3 背景光模拟方法 189
4.5 信道模拟 191
4.5.1 信道模拟概述 191
4.5.2 大气传输相关理论 191
4.5.3 信道模拟方法 200
4.6 激光通信载荷组件环境与可靠试验 208
4.6.1 一般要求 208
4.6.2 组件试验顺序 210
4.6.3 地面环境试验要求 210
4.6.4 力学试验要求 211
4.6.5 热学试验要求 213
参考文献 216
第5章 卫星激光通信系统整体模拟测试 219
5.1 ESA SILEX计划地面测试设备 220
5.2 NASA LTES地面实验平台 225
5.3 NASA LCRD地面实验平台 234
5.4 NASDA LUCE卫星地面测试设备 236
5.5 NICT ETS-VI卫星地面测试设备 240
5.6 JAXA JDRS-1卫星地面测试设备 243
5.7 远距离星间激光通信端机捕跟性能模拟测试平台 244
5.8 空间激光通信终端综合测试系统 251
5.9 星地激光通信终端集成测试系统 253
参考文献 255

第1章绪论
　　1.1卫星激光通信系统概念
　　1.1.1卫星激光通信系统基本概念
　　通信系统按照信道特性可分为有线通信和无线通信。有线通信是将待传输的信息利用电缆、光纤等人造实体介质传输至目标端，其信道特性稳定，被广泛用于主干通信网络；无线通信则是利用电磁波加载信息，通过大气、水、宇宙空间等自然空间介质实现传输，组网灵活，可扩展有线通信的接入便捷性，完善在不同环境条件限制下的通信网络覆盖程度。
　　无线通信载波为电磁波，其按照波长可分为电波无线通信、光波无线通信，如图1.1所示。电波覆盖了从毫米波（1～10mm）到甚长波（10～100km）以上的范围，其穿透障碍能力较强，功率足够时可实现远距离传输，由于其穿透性能优势与电子器件设计的连续性，实践应用相对容易，因此传统无线通信系统大多采用的是无线电波通信;光波包含从紫外光（0.1～0.4[im）到红外光（0.78～频率相对电波较高，穿透能力较差，但其频带宽度却是电波的万倍左右，因此在传统电波频谱分配日渐紧张的情况下，基于光波的通信系统得以大量开发研究。从固体激光器到气体激光器，再到半导体激光器、光纤激光器，各类激光器的发展，使光源种类日趋丰富，获得单一性质的激光光源的方法多种多样，这使得改变单一性质光波的某类特征，以及携带信息进行传输与检测更容易实现。激光技术的发展，为光波通信技术的发展提供了坚实的基础。
　　卫星通信是利用人造地球卫星作为通信链路的起始、中继或接收节点，实现信息在卫星与地面、水下、大气环境、宇宙空间等任一位置通信端之间的传输，如图1.2所示。传统卫星通信多采用波长在1～100mm之间的微波作为载波实现通信，按照频段划分为L波段（150～300mm，1～2GHz）、S波段（75～150mm，2～4GHz）、C波段（37.5～75mm，4～8GHz）、X波段（23.1～37.5mm，8～13GHz）、Ku波段（16.7～23.1mm，13～18GHz）、K波段（10.7～16.7mm，18～28GHz）、Ka波段（7.5～10.7mm，28～40GHz），属于电波范畴。微波的波长较光波更长，天线尺寸大，系统的体积、重量大，功耗较高，此外电磁波的频带宽度有限，随着数据容量需求的增大，这种不足更为明显。
　　卫星激光通信则采用了适用大气窗口波长的光波为载波，通过改变载波特性，将待传输信息加载在载波上，通过光波发射实现远距离信息传输。将激光器搭载在卫星载荷与地面站，设计适当的光束发散角与瞄准系统，稳定实现指定距离传输后在双方接收端光束覆盖范围与光束能量均可达到探测范围内，即可支持链路稳定工作。
　　卫星激光通信相较于卫星微波通信具有频带宽、抗电磁干扰、光束功率增益大、载荷体积小等优势。为此2021年开始以国外SpaceX公司、国内中国卫星网络集团有限公司为代表的企业纷纷启动建设由低轨小卫星组成的星座系统，积极抢占太空互联网接入新资源，引发全球性热潮。
　　1.1.2卫星激光通信系统基本组成
　　卫星激光通信系统的系统构成依赖于具体的任务要求（速率、误码率等）、链路特性（距离、相对运动速度等）、外界约束条件（背景光、振动、大气信道等）和当前的技术的支撑程度。纵观国际上已经研制的空间激光通信系统，几乎没有绝对雷同的结构形式和性能参数，但若从系统功能的实现来讲，在空间激光通信系统中，与设计指标相关的主要部分由以下几个分系统构成：光学与精密机械分系统；瞄准、捕获、跟踪分系统；通信分系统；总控分系统。
　　1）光学与精密机械分系统
　　空间激光通信从功能上主要由通信分系统和瞄准捕获跟踪（pointing acquisition tracking，PAT）分系统构成，作为空间激光通信光端机，光学分系统是重要组成部分。它的性能不仅直接影响激光器、控制器的选择，而且影响捕获时间、跟踪视场、对准精度；它的结构不仅影响多路的衰减、多光轴的一致性，而且影响光端机的环境适应性。所以，激光通信系统的光机分系统是先导和基础，是影响系统重要性能指标的重要环节，也是决定系统体积、重量的重要因素。它由以下三部分构成。
　　（1）光学望远单元：光学望远单元是光学分系统的核心单元，可根据具体的链路和平台特性，采用*立口径或共口径收发模式。望远镜的口径不仅决定接收单元的灵敏度，而且决定发射单元的衍射极限发散角；望远镜的面型质量将影响光束实际的束散角和精跟踪单元光斑的大小；望远镜的放大倍数直接影响内部光束的直径，它将影响内部多个光学中继组件的尺寸，进而影响光学精密机械基台的体积和重量；另外，望远单元对背景光抑制、光学透过率也有较大影响。
　　（2）光学中继组件单元：光学中继组件是链接光学望远单元与精密机械基台单元的关键组件，并具有一定功能的光学组件，主要有激光光束整形扩束组件、二点成像组件、二维角度精密伺服组件、双色（多色）分光片、窄带滤光片、光路折转反射镜，以及孔径光阑、视场光阑、消杂光光阑等。
　　（3）精密机械基台单元：精密机械基台上高度集成光学望远单元、多种光学中继组件、PAT分系统核心组件（信标激光器、相机、振镜）、通信分系统组件（通信激光器、通信探测器）。不仅需要对这些单元进行视轴的精密调校，而且还需要保障比较苛刻的热力学、静力学、动力学稳定性。所以通常需要刚度高、热稳定性好和质轻材料予以实现。
　　2）猫准、捕获、跟踪分系统
　　瞄准、捕获、跟踪分系统的主要作用是在两个具有相对运动与振动平台间实现快速捕获和精密跟踪，它是开展空间激光动态通信的前提和保障，是系统中*核心的部分，也是空间激光通信的一个主要难点。为了同时实现高动态范围、高精度跟踪，当前的空间激光通信系统几乎毫无例外地采用粗、精复合轴PAT先进控制技术来解决髙精度和高稳定性这个技术瓶颈。PAT分系统按功能由四部分构成。
　　（1）捕获控制单元：捕获控制单元的主要功能有两个：*先是借助平台姿态测量单元和平台定位单元（星历表或全球定位系统（GPS）等）实现双端视轴的初始指向，进而获得较小的开环捕获不确定区域；其次是借助主动信标光源和视场较大的捕获探测单元，在不确定区域内实现快速、高概率捕获，进而构建光链路闭环，为稳定跟踪奠定基础。
　　（2）粗跟踪伺服单元：粗跟踪伺服单元是复合轴PAT跟踪分系统的外环，它由粗跟踪探测器、粗跟踪伺服控制器、粗跟踪伺服转台构成，它在系统成功捕获后，快速实现动态粗跟踪。粗跟踪单元具有较大的跟踪视场、较大的负载和较低的跟踪带宽，所以其跟踪精度不能直接满足通信要求。但是，根据复合轴PAT工作机理，只要保证能稳定跟踪且进入精跟踪视场即可。
　　（3）精跟踪伺服单元：精跟踪伺服单元是复合轴PAT分系统的内环，它由宽带、髙谐振频率的光束伺服单元、髙采样频率的光斑质心检测单元和数字伺服跟踪单元构成。它具有较小的视场、高伺服带宽和较高的伺服刚度，可对粗跟踪残差进一步抑制，它将决定复合轴PAT分系统的*终跟踪精度，是系统中*核心的单元，它是空间激光通信系统必须*先突破的关键技术之一。
　　（4）提前量对准单元：提前量对准单元主要补偿相对运动速度引起的视轴超前指向。与精密跟踪单元不同的是，它无需较高的伺服带宽；但是，作为总视轴误差源之一，需要非常高的提前量对准精度。为此需要高精度的光斑检测和光束精密伺服。
　　3）通信分系统
　　通信分系统是空间激光通信系统的功能主体，它是与系统主要性能指标（通信速率、误码率）直接相关的分系统。它需要同时满足通信带宽和链路功率两方面要求，主要实现高调制速率、高功率激光发射和宽带、高灵敏度探测。比较完整的通信分系统包括以下功能单元：通信发射单元；通信接收单元；通信编码单元；通信接口单元。其单元功能如下。
　　（1）通信发射单元：空间激光通信系统的一个重大技术优势就是发射功率相对较低。通常情况下，总体设计时用压缩通信束散角、减小空间损耗和提高探测灵敏度等手段来满足链路功率裕量，提高发射单元的功率是*迫不得已的技术途径。目前，可应用于空间激光通信的波长主要有800mn波段和1550mn波段，基本上都采用高效率、低功率的半导体激光器作为激光通信发射源；高速率调制可根据具体的功率和速率要求，采用内调制或外调制实现。
　　（2）通信接收单元：提髙通信接收单元的灵敏度是空间激光通信设计的*要原则，它要比提高通信发射单元的发射功率具有更高的***（提高发射功率将引起系统功耗和质量的双重负担丨。所以，国际上所有研究机构几乎都在不遗余力地开发高灵敏度、宽带的通信接收单元。相继开展幅度调制、直接探测技术（intensity modulation with direct detection，IM/DD）、基于EDFA（erbium doped fiber amplifier）前置放大技术、相干接收技术等。IM/DD接收是空间激光通信早期常用的探测技术，其优点是构成相对简单，但不足之处是在相同通信速率和误码率约束条件下，极限灵敏度相对较低；随着相干接收技术的发展，在远距离髙速率通信的应用场景下，相干接收与传统强度调制直接探测的方法并重发展，相干系统的探测灵敏度可以上升数个量级。近些年考虑到卫星互联网多制式兼容需求，基于数字相干通信的接收单元可实现多种调制格式识别兼容接收。
　　（3）通信编码单元:在发射单元的功率和接收单元的探测灵敏度都达到极限的情况下，为了进一步提高信息传递的可靠性、有效性和安全性，采用纠错编码技术是重要途径。通过增加更多发送信息的冗余度可以使通信更可靠，虽然浪费了系统的带宽，但是，它可在接收信息受到一定干扰的条件下仍然能够可靠地恢复原始发送信息。针对复杂动态大气信道，各类编码技术低密度奇偶校验（low-density parity-check，LDPC）也在快速发展。
　　（4）通信接口单元：为了使空间激光通信系统成为一个透明的传输通道，需要智能适配数据接口。空间激光通信拟传输的数据可能是任意有效载荷所获得的高速率、海量的其他有效载荷的数字数据（包括高分辨率可见光电荷耦合器件（CCD）相机、高分辨率成像光谱仪、合成孔径雷达等）。这些数据可能具有不同的接口形式（串行、并行）、不同的数据读出数量、不同的电平格式。因此，需要将这些数据源的接口转化为空间激光通信所需要的高速串行数据接口。
　　4）总控分系统
　　总控分系统是空间激光通信系统不可或缺的组成部分，它主要实现以下功能。
　　（1）系统总体工作流程控制，包括姿态测量、星历表查询、坐标变换、初始指向、快速捕获、复合轴跟踪和动态通信全程操控。
　　（2）自适应参数控制：根据链路距离、信道条件、背景光、通信速率等外界条件和任务要求不同，智能调节系统中的工作参数，使系统处于*优工作模式。
　　（3）热控管理：为了提高多光轴的对准精度和光学面型质量的环境适应性，系统需要整体温控或局部温控，确保系统可靠工作。
　　（4）电源管理：提供给各单元所需的髙效供电电源。
　　（5）遥测遥控：系统工作的重要参数可通过遥测遥控链路下传到地面指控中心，同时，地面指控中心也可远程控制系统的工作流程和参数设置。
　　1.1.3卫星激光通信系统地面检测/模拟概念
　　卫星激光通信系统中，激光通信端机作为一种有效载荷，在发射入轨工作前，需要在地面对其主要技术指标进行严格测试，进一步还需要结合端机在轨的实际工作环境进行模拟再进行性能测试，以提前发现设计或制造中的缺陷与不足，实现成本相对较低的改进设计与维护，保证发射入轨后系统较高的可靠度。卫星激光通信的地面检测与模拟主要包括各子系统的技术指标参数测量，以及模拟环境条件下终端运行性能的检验。
　　参数测量主要包括光学性能测试、瞄准捕获跟踪性能、通信性能，其中：①光学性能包括通信、信标激光束散角，发射光束波面质量，激光光源的功率、波长、稳定度、偏振态、调制状态等；②瞄准捕获跟踪性质主要包括跟瞄范围、猫准精度、捕获