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卫星光通信中基于轨道预测的零差频率捕获技术研究

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卫星光通信中基于轨道预测的零差频率捕获技术研究

作者：何碧旺哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

卫星光通信是一种空间光通信技术,与传统的微波通信相比,卫星光通信具有诸多优势。随着科学技术的发展,人们对卫星通信速率的需求不断提高。零差相干探测相比于直接探测,具有更高的信噪比,信噪比的提高有利于进一步提高通信性能。然而,... 详细信息

卫星光通信是一种空间光通信技术,与传统的微波通信相比,卫星光通信具有诸多优势。随着科学技术的发展,人们对卫星通信速率的需求不断提高。零差相干探测相比于直接探测,具有更高的信噪比,信噪比的提高有利于进一步提高通信性能。然而,在星间光通信中,卫星间的相对运动会导致零差探测接收到的信号光产生多普勒频移,信号光频率漂移会严重影响零差相干光通信系统的性能。针对信号光频率漂移需要捕获的问题,研究如何建立零差频率捕获模型具有重要意义。首先,总结了频率捕获技术的研究现状。针对初始频差过大的问题,一般会采用温度调谐来进行粗捕获,但由于温度调谐速度太慢,会大大增加频率捕获时间。通过对对星间光通信中多普勒频移特性的分析,发现对多普勒频移进行估计和预补偿可以大大缩短频率捕获时间。因此,本文的研究是基于轨道预测多普勒频移并进行预补偿这个基础,给出零差频率捕获方案。其次,建立了零差相干光通信系统的仿真模型,推导出了基于I支路延迟的XOR鉴相器平均输出电压表达式,提出了基于轨道预测的闭环捕获方案,对闭环频率捕获模型的鉴相、鉴频特性和频率捕获性能进行了仿真分析。仿真结果表明,所建模型可以实现频率的快速捕获。最后,提出了基于轨道预测的算法捕获方案,建立了频偏估计算法的仿真模型,仿真分析了信噪比、线宽、频率估计块的长度N以及相位估计块的长度M对算法精度的影响。仿真结果表明,算法模型基本消除了频率漂移的影响。

关键词：卫星光通信零差探测频率捕获光锁相环频偏估计算法

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卫星光通信中少模光纤耦合效率的研究

卫星光通信中少模光纤耦合效率的研究

作者：吴泳佳哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

近几年,卫星光通信迅速发展,成为一个热门研究领域。卫星光通信通过激光承载信息,在空间中建立激光链路,最终由接收端的耦合系统进行接收。所以,光纤的耦合效率是衡量空间光到光纤耦合过程一个十分重要的指标。如今,在卫星光通信上广泛... 详细信息

近几年,卫星光通信迅速发展,成为一个热门研究领域。卫星光通信通过激光承载信息,在空间中建立激光链路,最终由接收端的耦合系统进行接收。所以,光纤的耦合效率是衡量空间光到光纤耦合过程一个十分重要的指标。如今,在卫星光通信上广泛使用的是单模、多模光纤。单模光纤纤芯直径过小,导致它对各种扰动都很敏感,使得整个耦合过程较为困难,耦合效率较低;尽管多模光纤纤芯直径足够大,但由于模间串扰、模式色散等一系列问题,不能实现高速通信,并且对于星地链路来说,放大器的补偿十分重要,而现存的多模光纤放大器并不能适用于卫星激光通信接收端,这是一个关键性却无法解决的问题;少模光纤不仅有较大的纤芯直径,降低了耦合过程中对扰动的敏感性,也有少模光纤放大器对整个链路进行补偿。在卫星光通信接收端使用少模光纤是一个未来研究的方向,所以本文针对星地链路中,接收端使用少模光纤的耦合及干扰因素进行了研究。由于扰动对整个耦合过程影响十分明显,所以我们主要研究了各种扰动对耦合效率的影响。研究了了两模、四模光纤在横向偏移,角偏移以及离焦情况下的耦合效率,建立了数学模型。对于离焦这种情况带来耦合效率降低,卫星光通信终端上的控制系统并不能很好对它进行补偿,而两模、四模光纤对离焦的容忍度更高,所以少模光纤比起单模光纤来说更适合于卫星光通信中空间光到光纤的耦合过程中。对于湍流情况,基于Kolmogorov、Non-Kolmogorov湍流谱数值仿真两模、四模光纤在不同的大气折射率常数下平均耦合效率,同时对Non-Kolmogorov湍流谱中的α对耦合效率的影响也进行了研究。搭建了空间光到光纤的耦合系统,完成了单模、两模光纤的耦合实验,证明了理论分析的正确性,也证明了两模光纤抗干扰能力更强。相较于单模光纤,在横向偏移3.75μm时(即角偏移5.356μrad),两模光纤耦合效率提高了13%,在横向偏移5.625μm(即角偏移8.034μrad)时,两模光纤耦合效率提高了10%;在离焦距离60μm时,两模光纤耦合效率提高了4%,在离焦距离100μm时,两模光纤耦合效率提高了11%。这些实验结果很好的证明了两模光纤抗干扰能力更强,并且分析了实验数据与理论数据的误差来源,证明了数学模型的正确性。

关键词：卫星光通信少模光纤耦合效率大气湍流

卫星光通信光学天线光机系统设计及自重形变的有限元分析

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卫星光通信光学天线光机系统设计及自重形变的有限元分析

作者：杜继东哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

卫星光通信，是一种利用激光作为信息载体，以自由空间作为信道，通过对激光信号的发射和接收来实现通信目的的通信形式。相对于成熟且广泛应用的射频空间通信系统，卫星光通信具有非常明显的优势的同时，其在实现过程中也有着亟待攻克... 详细信息

卫星光通信，是一种利用激光作为信息载体，以自由空间作为信道，通过对激光信号的发射和接收来实现通信目的的通信形式。相对于成熟且广泛应用的射频空间通信系统，卫星光通信具有非常明显的优势的同时，其在实现过程中也有着亟待攻克的技术难点，其中包括高精度的光学系统、复杂的瞄准、捕获、跟踪（PAT）系统的设计等。为了保证卫星光通信系统在空间极度苛刻的环境条件下能够正常工作，并满足高精度的技术指标，这就要求光学天线望远镜的光学元件和机械结构必须具备足够的稳定性和可靠性。卫星光通信终端的关键部件光学天线望远镜在设计过程中应该考虑各种因素从而避免或尽量降其在空间工作状态下光学元件及其机械结构的形变而对通信系统的影响，这是一项综合系统的设计过程，也是一项反复迭代、不断优化的过程。本课题研究对象为改进型的卡塞格林望远镜。作为卫星光通信终端的主要光学部件，光学天线望远镜的主反射镜、副反射镜以及连接桁架的设计、分析和研究对光学系统的稳定性和可靠性起着重要的作用，因此对光学天线望远镜进行光学设计、机械结构设计和针对因自身重力而导致的形变进行有限元分析是有必要的。本论文的研究主要包括以下三个方面：（1）光学天线望远镜的光学设计和仿真。结合卫星光通行光学系统指标参数，基于二次曲面面型R-C望远镜的三级像差理论，设计了符合要求的不同入瞳直径的两镜光学天线望远镜。（2）光学天线望远镜的机械结构设计及因自重而引起的形变的有限元计算。;在光学天线望远镜设计参数的基础上，确定了其的主反射镜、副反射镜和连接桁架机械支撑结构，并在此基础上利用ANSYS软件计算了光轴竖直方向情况下各组成部件的重力形变位移值。（3）光学天线望远镜的光学性能进行像质评价。基于自重形变的有限元分析的计算结果，主要针对光学天线望远镜系统的光学波前、弥散斑直径和MTF这三项光学性能指标利用CODE-V软件进行对比分析。

关键词：卫星光通信光学天线望远镜有限元分析自重形变光学分析

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卫星光通信粗瞄系统可靠性设计及实现

卫星光通信粗瞄系统可靠性设计及实现

作者：王亚辉哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

在卫星光通信终端工作的空间环境中，存在大量高能粒子。受高能粒子的冲击，电子元器件会产生总剂量效应、单粒子效应等空间辐射效应。受空间辐射效应影响，卫星光通信终端系统容易发生各种故障。本文就如何提高系统的可靠性以及保证系... 详细信息

在卫星光通信终端工作的空间环境中，存在大量高能粒子。受高能粒子的冲击，电子元器件会产生总剂量效应、单粒子效应等空间辐射效应。受空间辐射效应影响，卫星光通信终端系统容易发生各种故障。本文就如何提高系统的可靠性以及保证系统的长寿命使用进行了深入研究。本文研究了卫星工程抗辐射加固技术，对卫星光通信终端粗瞄系统的功能设计及实现进行了研究，重点分析探讨了粗瞄系统的容错设计方案，并利用马尔可夫理论分析计算了系统可靠性。提高系统可靠性的首要措施是抗辐射加固。介绍了卫星工程中的电子元器件选型规则，对电子元器件的降额使用及保护电路进行了分析设计，并对机箱层和器件层的屏蔽加固进行了研究。卫星光通信粗瞄系统是整个终端系统的重要组成部分。文中简要分析了卫星光通信系统的捕获机理、扫描方式以及工作流程，介绍了粗瞄系统的功能、组成及工作流程，从硬件和软件两个方面对粗瞄系统进行了详细的功能设计研究与实现，主要包括CPU控制、串口通信、D/A转换、电源、时标信号等模块。保证系统功能可靠性和长寿命使用的关键技术是冗余容错设计。粗瞄系统按照功能划分为粗瞄主控单元、粗瞄控制单元、码盘解码单元和粗瞄驱动单元，针对各个单元功能相对独立的特点，本文提出了一种单元模块级的双模热备与冷备相结合的容错体系结构，粗瞄主控单元负责主备切换，实时性要求比较高，采用双模热备方式，其余三个单元采用双模冷备方式。在上述容错体系结构内，硬件方面具体研究了故障检测、定位、主备切换以及系统重构各个阶段的容错设计方法，软件方面分析探讨了常用的容错技术，包括错误检测与纠正技术、数据包校验和技术、三模冗余技术等。在上述分析研究基础上，进行了粗瞄主控单元PCB板级的故障模拟仿真。最后，本文采用马尔可夫模型理论分析计算了粗瞄系统的各个功能单元的可靠性，并在此基础上分析计算了整个粗瞄系统的可靠性。

关键词：卫星光通信空间辐射效应容错马尔可夫模型可靠性

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卫星光通信APT系统设计实现

卫星光通信APT系统设计实现

作者：李昕华中科技大学

学位级别：硕士

卫星光通信是以激光作为载体,通过自由空间进行卫星间信息传输的通信方式,是公认的未来航天通信和卫星通信的最佳方式之一,也是国际上航天研究的重点。但卫星光通信工作环境复杂,光束传播距离远,而可靠的光通信对光束对准的要求很高,因... 详细信息

卫星光通信是以激光作为载体,通过自由空间进行卫星间信息传输的通信方式,是公认的未来航天通信和卫星通信的最佳方式之一,也是国际上航天研究的重点。但卫星光通信工作环境复杂,光束传播距离远,而可靠的光通信对光束对准的要求很高,因而在实际应用时,捕获瞄准跟踪(APT: Acquisition Pointing and Tracking)技术成为了实现卫星光通信最为关键的技术难点。本文对国际上典型的卫星光通信系统进行了一定的分析,并基于这些分析,提出了一套卫星光通信APT系统的解决方案。该方案为实现中轨道卫星MEOOL和同步轨道卫星ARTEMIS之间的光链路而服务。本文首先介绍了卫星光通信APT系统的概念、功能、构成、关键技术,重点研究说明了ARTEMIS上所搭载的SILEX终端的主要结构。分析了建立卫星间(MEOOL-ARTEMIS)光通信链路对MEOOL上APT系统的性能要求。根据相关要求,给出了APT系统的整体结构框图和信号控制流程,并描述了四个主要的功能单元(粗跟踪探测器、精跟踪探测器、粗跟踪驱动、精跟踪驱动)在卫星光通信APT系统中的作用和各自结构上的特点。设计了MEOOL与ARTEMIS建立光链路的整个流程,分析了两卫星建立光链路时的捕获概率,并对APT系统的天线扫描路径进行了仿真,具体讨论了lissajous式扫描的实现方法及实现难点。在上述分析和设计之后,本文的实现部分描述了四个主要功能单元的具体实现方法、器件的应用设计和相关硬件电路。

关键词：卫星光通信 APT 跟踪捕获

卫星光通信中空间辐射对掺铒光纤放大器影响研究

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卫星光通信中空间辐射对掺铒光纤放大器影响研究

作者：薄生伟哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

卫星光通信是卫星通信技术的一个重要发展方向,相比于微波通信系统,卫星光通信系统具有极高的传输速率,同时具有保密性好、不需要频率使用许可、终端体积小、重量轻等优点。目前该技术已成为通信领域研究热点。掺铒光纤放大器(EDFA)具... 详细信息

卫星光通信是卫星通信技术的一个重要发展方向,相比于微波通信系统,卫星光通信系统具有极高的传输速率,同时具有保密性好、不需要频率使用许可、终端体积小、重量轻等优点。目前该技术已成为通信领域研究热点。掺铒光纤放大器(EDFA)具有高增益,低噪声,串话小,耦合效率高,易与其他光纤器件连接等优点,将其应用于卫星光通信技术中,将有效提高系统通信性能,但需要首先解决空间辐射环境对EDFA影响这一关键问题。本文基于EDFA增益特性的Saleh理论模型,结合辐射损耗与辐射剂量的关系,针对空间辐射对不同浓度EDFA增益特性的影响进行了理论分析与仿真研究,得到了不同浓度下EDFA增益特性随辐射剂量的变化特性。在此基础上,以Co60为辐射源建立空间辐射环境模拟实验系统,用伽玛辐射模拟空间电离总剂量辐射效应,针对两个不同浓度EDFA增益特性随辐射剂量的变化特性进行了实验研究,验证理论分析的正确性。实验结果表明高浓度掺铒光纤放大器的增益受辐射影响较小,即高浓度掺铒光纤放大器的抗辐射能力较强。研究中同时进行了掺铒光纤放大器的辐射恢复实验,通过对伽玛辐射后EDFA的性能参数跟踪测试,得到了EDFA的增益辐射损耗恢复的时间特性。本论文的研究工作为EDFA空间辐射防护技术研究提供了重要的理论与实验依据,为今后EDFA应用于卫星光通信中奠定了一定的基础。

关键词：卫星光通信空间辐射掺铒光纤放大器伽玛辐射

卫星光通信数据处理单元设计及扫描捕获方法研究

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卫星光通信数据处理单元设计及扫描捕获方法研究

作者：王祗文哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

卫星光通信以其高带宽、高码率、高保密性及抗干扰等优点成为空间通信发展的新方向。捕获、瞄准、跟踪(APT)技术是卫星光通信系统中的关键技术。实现对光束快速、稳定的捕获,是建立卫星光通信链路的前提。本文在概述了APT系统的概念、... 详细信息

卫星光通信以其高带宽、高码率、高保密性及抗干扰等优点成为空间通信发展的新方向。捕获、瞄准、跟踪(APT)技术是卫星光通信系统中的关键技术。实现对光束快速、稳定的捕获,是建立卫星光通信链路的前提。本文在概述了APT系统的概念、组成、工作流程的基础上,对APT系统中数据处理单元的设计实现,以及扫描捕获方法进行了研究,同时还对提高系统可靠性的工程方法进行了总结。本文主要研究的数据处理单元是卫星光通信APT系统中的连接计算模块,APT系统采用何种扫描方式是由数据处理单元决定的。数据处理单元以SM320LF2407A为核心处理器,本文根据数据处理单元的功能需求,设计了与主控单元通信的串行通信接口、与电机控制单元通信的并行通信接口、为卫星平台提供遥测信号的D/A转换电路及A/D采样电路。在硬件电路正常工作的前提下,对各个功能模块进行了软件编写与调试,并按照APT系统的工作流程,将各模块程序组合起来实现数据处理单元的功能。编写的程序通过LDRA TestBed软件测试,符合航天型号软件开发规范要求。本文总结了项目中使用的对低等级芯片进行筛选、对单粒子效应进行防护等提高系统可靠性的工程方法,并根据实际项目可靠性设计需求,对SM320F2812的外部引导加载技术进行了探索,成功实现了SM320F2812的外部引导加载。扫描捕获方法决定着APT系统的性能,本文给出了捕获概率和捕获时间模型,提出了在扫描过程中增加重叠因子的方法消除外部扰动对捕获概率的影响,给出了重叠因子与指向偏差的数量关系。在对现有扫描方式分析的基础上提出了一种捕获时间最短的扫描方式,从而通过改进扫描方式,提高捕获概率,缩短捕获时间,提高APT系统的捕获性能。

关键词：卫星光通信瞄准、捕获、跟踪引导加载扫描方式

卫星光通信终端二维转台轴系误差分析及补偿方法研究

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卫星光通信终端二维转台轴系误差分析及补偿方法研究

作者：吴世臣哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

卫星光通信与微波通信相比具有通信容量大、终端体积小和保密性好等特点,将是未来卫星通信技术的重要发展方向。近年来,卫星光通信技术的研究受到了许多国家的重视,在美国、欧洲、日本和俄罗斯等国家和地区获得了发展。我国也已开始重... 详细信息

卫星光通信与微波通信相比具有通信容量大、终端体积小和保密性好等特点,将是未来卫星通信技术的重要发展方向。近年来,卫星光通信技术的研究受到了许多国家的重视,在美国、欧洲、日本和俄罗斯等国家和地区获得了发展。我国也已开始重视卫星光通信技术的研究,并取得了一定成果。在卫星间激光链路的建立和保持中,角度偏差检测被用来校正捕获和跟踪的误差。角度偏差检测系统的精度极大程度地影响着瞄准、捕获和跟踪的性能,对星间链路的建立起着至关重要的作用。由于激光光场光束窄,星间距离大,使得卫星光通信终端安装精度对PAT性能的影响增大。因此分析终端光学器件对PAT精度的影响有着重要的现实意义。本文主要针对卫星光通信终端粗瞄装置轴系安装误差的影响效果和测角补偿方案,在以下几个方面进行了研究。对国内外卫星光通信技术的研究状况和进展进行了综述。分析了在PAT过程中由于通信终端系统各光学器件安装误差所引起的光束矢量偏差,确定了终端光学路径中轴系误差的分类。针对光束在终端内的传输过程进行了详细的理论分析,分析采用光学仪器矩阵传输理论建立了描述终端内各光学器件安装状态的矩阵模型,从而得出终端内光束指向的矢量形式,分析了二维转台的运动性质。根据光束传输矢量模型,本文对二维转台轴系误差对系统在瞄准过程中的指向影响和在跟踪过程中的CCD测角影响进行了定量的分析,并进行了相应的仿真。根据二维转台轴系误差对光束传输的影响,设计了更为精确的CCD测角算法和用于补偿安装误差的精瞄镜控制算法,仿真分析了各种补偿方法对轴系误差影响的补偿效果。本论文的工作为卫星光通信终端安装误差影响分析提供了初步的理论模型和测试方法,为进一步研究和实验打下了一定的基础。

关键词：卫星光通信角度偏差检测 CCD 安装误差

多脉冲位置调制卫星光通信中时钟抖动对比特错误概率影响

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光学学报 2010年第1期30卷 26-30页

作者：李天松袁伟超易淼周海燕北京邮电大学通信网络研究所北京100876 桂林电子科技大学信息与通信学院广西桂林541004

多脉冲位置调制(MPPM)是基于脉冲位置调制(PPM)的改进形式,已成为卫星光通信中高效调制方式。针对存在背景辐射、大气湍流、热噪声的卫星光通信信道,研究了远场激光脉冲展宽机理和时钟抖动对系统的影响。提出基于格雷码的MPPM联合编码... 详细信息

多脉冲位置调制(MPPM)是基于脉冲位置调制(PPM)的改进形式,已成为卫星光通信中高效调制方式。针对存在背景辐射、大气湍流、热噪声的卫星光通信信道,研究了远场激光脉冲展宽机理和时钟抖动对系统的影响。提出基于格雷码的MPPM联合编码调制方式减小时钟抖动和码间干扰影响,应用星座图设计了基于格雷码(7,2)MPPM映射方法,在相同传输带宽下(7,2)MPPM的传输效率超过16PPM的2倍。分析泊松信道下基于格雷编码的(7,2)MPPM字符错误概率和比特错误概率(BEP)。结果表明,采用格雷编码MPPM可以有效抵御定时误差并降低系统比特错误概率。

关键词：卫星光通信多脉冲位置调制(MPPM) 格雷码时钟抖动脉冲展宽