[發明專利]多功能空間激光通信地面測試系統及靜態參數測試方法

有效

• 申請號: 201410708285.4
• 申請日: 2014-11-28
• 公開（公告）號: CN104539349A
• 公開（公告）日: 2015-04-22
• 發明（設計）人: 王建民
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: H04B10/07
• 分類號: H04B10/07
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理事務所(普通合伙) 11360
• 代理人: 蘇愛華

技術領域

本發明涉及空間激光通信領域，特別是涉及一種多功能空間激光通信地面測試系統及靜態參數測試方法。

背景技術

空間激光通信系統作為一種有效載荷，無論是在研制完成后，還是在發射之前，都要對其主要的技術指標進行嚴格的測試，這些指標包括動態參數如跟瞄精度、捕獲特性、通信誤碼率等，以及靜態參數如超前瞄準誤差、遠場分布、光功率、靜態指向誤差等。一般空間激光通信的距離為幾百公里至幾十萬公里，甚至更遠，而光端機的孔徑在幾厘米到幾十厘米，所以，光信號的接收為遠場接收。空間激光通信地面測試可分為系統級別的測試、分系統或模塊級別的測試以及元件級別的測試。發射端機和接收端機可以統稱為通信端機，簡稱為端機。發射端機和接收端機共同組成一個相互耦合的系統，而所謂端機級系統測試是指在實驗室近距離條件下，兩個通信端機整機，直接互相對準，進行捕獲、跟瞄、通信等性能指標的測試。端機級的系統性能測試的優點是“所見即所得”，即，其測試結果直接代表著被測光通信系統在軌時的特性，而不需要再用仿真模型，推斷在軌時的性能，是一種與在軌情形最為接近地面測試方法，系統級別的測試在信道上一定是存在雙向的光信號。

國內外比較典型的地面驗證與測試系統有：歐空局ESA在SILEX計劃中的地面支撐測試設備TTOGSE(Terminal?Test?Optical?Ground?Support?Equipment)和系統測試平臺STB(System?Test?Bed)、日本星間激光通信實驗室開發的驗證系統GOAL(Ground?Optical?Assistance?for?LUCE)、日本ART光通信和射頻通信研究室研究的自由空間激光傳輸模擬器、美國噴氣推進實驗室JPL開發了LTES(Lasercom?Test?and?Evaluation?Station)測試系統以及北京大學研制的激光通信遠場特性參數測試系統。

上述測試系統都是在近距離實驗室條件下進行的與光信號相關的測試，其最終目的就是得到端機未來在軌時的特性。無論什么樣的地面驗證與測試系統，欲使其測試結果等價于實際在軌時的情形，必須滿足光遠場條件，或者模擬遠場條件。在地面，由于大氣的影響，采用把發射端機和接收端機拉開遠場距離的方法顯然是不現實的，解決的方法有三種，一種是拆掉光學天線進行測試的方法，由于光束孔徑變小，遠場條件容易得到滿足，如上文提到的ESA的SILEX計劃就是采用這種方法，該方法后續要進行配套的部件、元件的測試以及計算機仿真，才能間接得到端機系統在軌時的特性，過程繁冗，無法實現整機的測試。另一種解決方法是采用長焦距的透鏡進行遠場模擬，這種方法是把端機發出的光束用一套長焦距的透鏡(實際也可能采用反射式的)，在其焦平面上即可得到模擬的遠場光信號，為了使對方接收端機接收到與其在空間在軌時相對應的光功率，常使用一微孔在焦平面進行波面取樣，取樣后的光信號傳遞給對方接收端機，微孔的尺寸按比例，對應于空間實際接收天線的孔徑。這種測試方法雖然是整機的測試，但只是實現了單方向的信號傳輸，而實際的激光通信系統，需要每一個通信端機必須跟蹤對方的信號，實現雙向鎖定，即，信道上的光束一定是雙向的。還有一種是模擬遠場的測試方法，這種方法的原理是，由于在光通信中，光信號的接收是遠場接收，接收天線的孔徑相對于入射波面的曲率非常小，因此，在接收端機接收孔徑范圍內，入射光信號可以看成是均勻的平行光。根據這一原理，在一些地面驗證與測試方法當中，比如，跟瞄精度的測試，采用的是一束模擬的平行光束，入射到通信端機中，以此來模擬對方端機發射的光束。這種方法仍然是屬于單機的測試。

上述三種滿足遠場條件的測試方法，或者不是整機的性能測試，或者在信道上僅存在單向信號，與實際的雙向信號不符，或者只是單個通信端機的測試，尚未實現兩個端機整機直接對準的系統級的測試。另一方面，目前國內外地面驗證與測試系統，僅僅考慮了光學遠場的條件，沒有考慮衛星間的相對運動、大氣信道等因素的影響。例如，在星地激光通信鏈路中，大氣信道對光傳輸的影響是不可避免的。最后，從功能的角度，國內外的地面驗證系統針對動態指標和靜態指標的測試都是采用兩個分開的獨立的系統，功能相對單一，無法實現利用一個系統同時完成動態指標和靜態指標多功能的地面測試。