1 引 言
北斗二號衛星導航系統是中國自主研發、獨立運行的另一個全球衛星導航系統，預計在2020年前后將建成具有區域增強和全球覆蓋能力的北斗導航衛星星座，建成后的空間段包括24顆中軌道衛星(MEO)、3顆高軌道衛星(GEO)和3顆傾斜軌道衛星(IGSO)。在導航衛星同軌間、異軌間、星地間進行測控信息傳輸及距離測量可以實現導航衛星精密定軌與時間同步，這對提高導航衛星自主運行能力與導航衛星定位精度至關重要。目前，星間、星地鏈路采用Ka波段，擴頻非相干信息幀通信測距體制，通信速率在幾萬比特每秒的量級，測距精度在分米級，無法滿足未來測控、運控系統大容量數據星間傳遞及自主導航精度等方面的需求[1-2]。
空間激光通信系統具有寬帶、高速、抗截獲能力強、輕小型、低功耗等突出特點，使其非常適合深空、星際、星地、空空、空地等鏈路通信，因而掀起了其研制熱潮[3-4]。空間激光測距與激光通信有許多相似性，例如，它們都需要指向、捕獲、跟蹤(PAT)單元，脈沖時序檢測，都有可能受到大氣影響等[5]，因此，可以把它們結合為一個系統，通過發送/接收單束激光實現通信與測距功能的復合。最早由Degnan等[6]提出在SLR2000衛星激光測距機上加裝波長為1550 nm附近的激光用于和衛星建立雙向通信，充分體現了激光通信與測距一體化思想。2009~2010年，俄羅斯在GLONASS-K衛星裝載星間激光測距通信系統并完成在軌試驗，鏈路距離為55000 km，信息速率為50 kbit/s，測距精度為3 cm。LISA系統通過距離的精密測量反演地球重力波場，相干激光外差探測完成超遠距離下精密距離測量，同時兼具通信功能，在鏈路距離5×106 km 時實現19cm的測距精度，24kbit/s的通信速率[7-9]。
2013年9月，美國宇航局完成月地之間激光鏈路建立，實現下行622 Mbit/s、上行20 Mbit/s的數據傳輸，測距精度為3 cm[10]。
可以看出，激光通信與測距復合已經成為星間鏈路的發展趨勢。隨著導航衛星對數據率、測距精度要求的不斷提高，將系統復合并應用到衛星上正逐漸成為研究熱點。本文主要研究激光測距/通信一體化技術及其在導航衛星上應用，重點研究其鏈路特性，并給出仿真分析結果。
2 激光通信/測距一體化技術
通信與測距復合不是簡單的功能疊加，而是深層次的組合。針對導航衛星鏈路特性，結合現有激光通信與激光測距技術，提出了一種外差相干解調與數據幀相結合的通信與測距復合系統，組成原理如圖1所示。
測通終端依據自身時間基準，在一個歷元內雙向發射數據幀信號，激光外差相干解調提取數據幀獲得傳輸信息，同時根據對方傳輸時間同步信息時間距離計算。其中通信為相干通信體制，測距為異步應答式。
系統的指向、捕獲、跟蹤單元使用無信標捕獲與相干跟蹤技術，通過大執行角度振鏡，實現寬范圍快速掃描，紅外CCD相機提取粗跟蹤信號；紅外象限探測器(QD)完成信號解調與跟蹤復合應用，有效減小系統體積；接收波長為1550 nm，本振光與入射光在QD上完成相干混頻，經后續自動增益放大(AAF)、模數轉換(ADC)、鎖相環(PLL)、延時環(DLL)和通信與測距信息處理單元(COS)等實現頻率跟蹤與偽碼跟蹤，最終完成通信與測距信息提取；本振激光發射時需經過自動頻率調整(AFC)及自動功率調整(APC)，頻率需要自適應調整以補償由于相對運動引起的多普勒頻移；發射使用1530nm激光，經過集成電路處理單元(OEM)和光放大器(EDFA)、提前量振鏡等單元后，通過共用光學系統發射出去；共用卡塞格林望遠單元、光學中繼、雙色分光片、1/4波片等光學元件。
復合系統工作過程主要包括初始指向、快速捕獲、動態跟蹤、動態鏈路4個階段，具體流程如圖2所示。
3 鏈路特性分析
導航衛星鏈路與其他衛星鏈路不同，為滿足精密定軌與時間同步的要求，需要在同軌道間、異軌道間進行鏈路的快速切換、快速建鏈、快速通信與測距，還可能涉及與GEO衛星建鏈，以其作為中繼衛星，向地面傳輸信息[11]。因此，導航衛星間的可通性、星間距離、相對速度、多普勒頻移、提前量等鏈路特性對復合系統的視軸指向、捕獲、跟蹤，通信/測距體制選取，鏈路功率預算等都會產生影響。
應用STK軟件對鏈路特性進行仿真計算。24顆MEO衛星采用Walker24/3/2星座構形，軌道傾角為55°，軌道高度為22116km，三個軌道的升交點黃經(RAAN)分別為0°、20°、240°，每個軌道均勻布置8顆星，其中第一軌道8顆星分別用S11、S12、S13、S14、S15、S16、S17和S18表示，第二軌道8顆星分別用S21、S22、S23、S24、S25、S26、S27和S28表示，第三軌道8顆星分別用S31、S32、S33、S34、S35、S36、S37和S38表示。3顆GEO定點于東經58.75°、80°、110.5°，分別用G1、G2和G3表示，具體衛星軌道分布如圖3所示。這里沒有給出MEO與IGSO之間鏈路仿真，主要考慮多數情況下都是以GEO作為中繼星，向地面傳輸數據。
3.1 可通性
圖4給出能夠與第一軌道的某顆MEO進行通信并位于第二軌道上的MEO數量。可以看出對于某一軌道上的某個MEO，在任何時刻，在其他同一軌道上至少有6顆MEO與其可見。
3.2 鏈路距離
圖5給出不同時刻位于第二軌道上的8顆MEO與第一軌道的某顆MEO的距離仿真結果。圖6給出不同時刻位于第一軌道上的第一顆MEO與同軌道上其他MEO的距離。可以看出MEO衛星間的通信距離小于6×104 km，這是進行鏈路能量預算的基礎。
3.3 相對速率
圖7給出不同時刻第二軌道上的8顆MEO與第一軌道的某顆MEO的相對速度，圖8給出不同時刻GEO與第一軌道的某顆MEO的相對速度。可以看出MEO之間的相對速度小于6.5 km/s，而GEO與MEO之間的相對速度小于3.1 km/s。
3.4 多普勒頻移
圖9給出不同時刻第二軌道上的8顆MEO與第一軌道某顆MEO的多普勒頻移，圖10給出不同時刻GEO與第一軌道某顆MEO的多普勒頻移。可以看出，不同軌道的MEO之間的多普勒頻移絕大部分為0.5~4 GHz，而MEO與GEO之間的多普勒頻移為1.6~2 GHz。
3.5 提前量
圖11給出不同時刻第二軌道上8顆MEO與第一軌道某顆MEO之間的提前量，圖12給出不同時刻3顆GEO與第一軌道某顆MEO之間的提前量。可以看出MEO之間提前量最大值可以達到1 mrad，而多數情況下主要集中在0.3 mrad以下，而GEO與MEO之間提前量在0.2 mrad以下。
4 鏈路功率預算
星間、星地鏈路的功率分析是鏈路特性的一個主要部分，是總體方案設計的重要環節。對于激光星間鏈路而言，接收到的功率應該滿足捕獲、跟蹤、測距、通信性能指標要求。如果考慮星地鏈路還存在上行與下行鏈路功率的差別，只有鏈路功率分析滿足要求，系統才能可靠、正常工作。
鏈路的傳輸方程皆可以用以下的通用表達式描述[12]:
式中 Pr 為探測器接收功率，Pt 為發射光源的發射功率，Gt 為發射天線增益，ηot 為發射光學單元的效率，Lr為空間傳輸損耗，其表達式為 Lr =D2/(θ?L)2 ，其中 D 為接收口徑，θ為激光束散角，L為鏈路距離，ηs為信道引起的功率損失，LPAT 為PAT對準失配引起的功率損耗，Gr 為接收天線增益，ηor 為接收光學系統效率。
根據鏈路特性分析結果及適合星載下的光學系統指標，對鏈路功率預算進行仿真，具體計算條件如表1所示。在鏈路功率計算時考慮GEO作為數據中繼星使用時，其通信速率要高，所以MEO間的光學口徑選為100 mm，而MEO與GEO間的光學口徑選為150 mm。波長統一取1550 nm，實際應用時收發波長錯開。
按表1給出的光學系統參數設置，結合(1)式，當激光發射功率都為2 W時,得到的鏈路功率預算如表2所示。
如果考慮GEO衛星作為中繼下行傳輸數據的話，在考慮上述損耗的同時，必須考慮大氣信道散射損耗、大氣閃爍損耗等影響，地面多點布站和大口徑接收是必須采取的技術。
5 結 論
提出激光通信/測距一體化技術，通過一束激光實現信標、通信、測距功能，而且是共用光學、電子學等單元，可以在很大程度上減小系統重量、功耗與體積。其中所涉及的無信標捕獲、相干探測、相干跟蹤、數據幀測距等關鍵技術已在國內外文獻中有所報道，因此，從理論上本系統是可行的，為一體化系統設計指明了一個方向。根據導航衛星對鏈路要求和一體化系統組成原理，對鏈路特性中所涉及的可通率、鏈路距離、相對速度、多普勒頻移、提前量、功率預算進行了分析與計算，相應結果將對實際設計激光通信與測距復合系統起到指導作用。
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