胡波 霍少泽 李亚伟
622826200107292316 沈阳航空航天大学 辽宁沈阳 110136
摘要：随着星载激光系统的不断完善，依靠搭载的激光通信和激光测距机，可为飞行器间提供通信和相对定位的技术手段。但由于空间条件的限制，需要使设备具有多任务工作的可能，从而降低对体积、功耗的要求，并提高系统的性价比。可以预测，随着激光通信和测距等复合需求的不断提高，激光通信测距一体化技术研究将成为未来的一种发展趋势。
关键词：激光通信；激光通信测距一体化；测控技术
当前我国纷纷开展了这方面的研究，激光通信技术和激光测距技术迅速发展。但由于空间条件的限制，需要使设备具有多任务工作的可能，从而降低对体积、功耗的要求，并提高系统的性价比。可以预测，随着激光通信和测距等复合需求的不断提高，激光通信测距一体化技术研究将成为未来的一种发展趋势。本文在激光通信的基础上，实现激光通信和测距一体化的系统设计方案并进行了论述，为未来我国测控事业的发展提供了新型手段，最后对激光通信测距一体化技术的发展提出了建议。
一、我国激光通信测距技术发展现状
我国激光通信、激光测距技术研究与美、欧、日相比起步较晚。国内开展激光通信、激光测距技术研究，目前已完成了星间光通信系统的模拟分析及模拟实验研究，大量的关键技术研究正在进行，与国外相比虽有一定的差距，但近些年来在激光通信和激光测距领域也取得了一些显著的成就。如: 哈工大研制的综合功能完善的激光星间链路模拟实验系统、上海光机所研制的点对点 155 M 大气激光通信机样机、武汉大学完成了42 M 多业务大气激光通信实验、全空域 FSO 自动跟踪伺服系统实验，为开发机载、星载激光通 信FSO 系统创造了条件等。
二、基于激光通信的测距一体化技术方案设计
目前常用激光测距机是通过向目标发射激光，然后接收目标返回的激光信号，通过测量从激光发射到激光返回的时间实现测距。由于目标的反射光信号一般非常弱，为了实现远距离测量通常需要激光功率非常大。因此不适合远距离测距。针对激光通信的原理，通过设置特殊测距帧，研制基于激光通信的测距一体化系统，可以解决这个问题，大大提高测距的距离和精度。
1、设计原理。在激光双向通信中，由于激光的传输只需要单向进行并且激光通信双端都有激光源，所以可以考虑采用应答的方式进行测距。根据激光通信的工作原理，激光通信由两个通信端机组成。每个通信端都包含信标光、信号光两种光源和信标接收、信号接收两个接收端，都可以用来进行测距。考虑到测量精度，设计采用信号光进行测距。应答式激光测距的原理是通过将应答信号转发并提取时间间隔进行激光测距。具体方法是: 利用端机 A 发射测距编码信号，同时打开距离测量计数器，端机 B 的接收单元接收到 A 端机的测距编码后，产生控制信号去触发激光发射单元，使其转发 A端机的测距编码，A 端机的接收单元收到 B 端机转发回的测距编码后，关闭距离测量计数器，计算出两通信端机之间的距离。此外激光脉冲的发射和接收先后衔接、自动循环，可以进行多个周期的测量，然后进行数据平均，进一步提高测距精度。
2、激光通信方案设计。无线光通信是利用激光光束作为载波，在大气中直接传输光信息的一种通信方式。将待传送的信息经过调制器加载到调制器的激励器上，调制器的激励器电流随着信号的变化规律而变化，激光器的输出信号经过调制器调制以后，相关的参数就按照相应的规律变化。光学天线把激光器输出的信号发射出去，探测器探测激光信号，通过解调器把原来的信息恢复出来，完成数据的传输。无线光通信系统由发射分系统、接收分系统、光学天线、ATP 分系统以及数据处理控制分系统等组成。如图所示。
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3、基于激光通信的测距一体化方案设计。由于信号光是实现数据传输的载体，而传输的数据是经过按照一定编码方式的数据流。在接收端接收到数据流后，经过译码恢复原始数据。编码和解码都是按照一定的规定来实现的。为了使用通信通道实现测距，通信端机 A( 称测距方) 的通信数据流中设置特定的格式( 这种格式不同与通信数据的编码格式，简称特殊测距帧) ，表示系统将要测距。当通信端机 B( 称应答方) 接收到该数据格式时，经过判断是测距信号，便通知应答方上通信终端的总控，将一特定的数据格式( 特殊测距帧) ，经过编码和调制发射出去。在测距方接收端接收到该数据格式时，通过计算从发射测距信号开始到收到应答方发射的特殊数据格式时的时间间隔，来计算测距方和应答方之间的距离。要实现测距通道，需要将原通信通道进行信号的拟合，即增加到通信信道，因此会影响到通信速率。在光通信中，通信速率一般大于 1 Gb- ps，而测距信号的码字仅仅几十个或者上百个，因此不会对通信速率造成很大的影响。
三、激光通信测距技术未来发展趋势
随着近年国外在卫星星间和星地激光通信方面的快速进展，已在相距 5000 km 的卫星之间实现了 5. 5 Gbps 以上的高速星间激光通信。在卫星测距技术领域，采用高重频微脉冲测距技术对卫星的测距精度达到亚厘米量级，在测距体制上也取得了突破，采用异步应答测距体制实现了到水星飞行器的行星际双向距离测量，精度高 达20 cm。在一些卫星激光通信系统、卫星激光测距系统以及光学地面站的设计中已经出现了通信测距一体化迹象。所有这些已取得的进展和发展迹象表明，国外激光通信测距一体化集成系统研究已经开始启动。主要体现在两个方面: 一是在飞行器终端的设计方面; 二是在地面站的设计方面。在飞行器终端设计方面体现出激光通信测距一体化思想的典型例子是美国的 X2000 项目。 X2000 飞行终端是一个多功能仪器，不仅能完成与卫星距离范围内的双向通信，还具有双向激光测距、科学成像和激光高度计等功能。在飞行终端结构设计中，测距和通信共用信号光，采用应答测距体制急性激光测距，实现激光通信和激光测距复用的目的。
激光测控与通信技术向一体化发展，激光测控通信技术能够利用同一套物 理设备实现高精度测控与高速通信双重功能，该技术在导航星座星间链路和地 面测控系统等领域都有巨大的应用价值。国外设计与研制的一些激光通信系统和激光测距站已经具备测量与通信功能。
星载激光通信终端向微小型化发展，激光通信终端由于工作频率高、波束 窄，空间传输损失小，因此在相同的链路距离和通信速率下，可以使用较小口径的天线和较低的发射功率。激光通信终端具有体积小、重量轻和功耗低的优势，特别 适合作为微小卫星通信载荷。当前微纳光电子器件和集成光学技术的快速发展，为星载激光通信终端微小型化提供了条件。
激光通信网络向空天地一体化方向发展欧盟、美国、日本、俄罗斯都在积极部署激光中继系统和激光导航与通信系统。随着天基激光通信系统的建设并投 入运行，把各轨道卫星、空间站、临近空间探测器以及地基、海基、空基移动／固定接入终端连接在一起，构成空天地一体化激光通信网络将是必然趋势。世界 上首个激光中继卫星系统投入运营。
随着激光通信和测距复合需求的增加，以及激光通信测距一体化技术在航天测控方面凸显的优势越来越多，可以预见在不久的未来，激光通信测距一体化技术将获得较快的发展，成为航天测控领域内又一新型测控技术。通过对激光通信测距一体化技术的研究能够进一步推动我国测控事业的发展。
参考文献：
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