随着人类对太空的探索日益加深，传统射频通信愈发不能满足高速深空通信的需求，各航天国家先后对深空激光通信技术开展研究。激光通信是实现空间通信的一种重要手段，相比于传统射频通信，激光通信具有通信速率高、终端载荷小、抗干扰能力强等优点，更适用于超远距离的深空通信。目前，美国进行的研究最多，且已成功实施了两次深空激光通信演示验证。本文针对已有的深空激光通信研究与演示结果进行综述，分析了实现深空激光通信的关键技术，对深空激光通信的发展历程与未来发展进行了探讨。

针对深空光通信中现有的多脉冲位置调制(MPPM)方案存在星座点利用率较低及位置选择有待优化的问题, 通过比较不同的MPPM方案星座点间的平均汉明距离及信号脉冲位于相邻时隙的概率, 提出一种抗时延抖动能力更强的MPPM星座映射方案。基于现有的串行级联脉冲位置调制(SCPPM)译码算法, 推导了串行级联MPPM(SCMPPM)迭代译码算法。仿真结果表明: 该方案的性能比现有方案更优, 不仅能够使通信系统保持较高的信息传输速率, 还可以降低MPPM星座点间符号串扰(ISI)及时隙串扰(ITI)的概率, 提高通信系统抗时延抖动的能力。

分析了相干光脉冲位置调制的信道容量及传信率最大化条件。通过分析光外差接收的脉冲位置调制信号具有的概率分布特性,推导出采用最大似然检测的相干脉冲位置调制信道具有的转移概率矩阵和信道容量,证明在检测器散粒噪声极限假设下,信道容量只取决于接收脉冲能量和脉冲位置调制阶数。利用Jensen不等式化简信道容量得到其下限,该下限能够近似实际通信链路的信道容量,基于此估计出达到最高传信率时的脉冲位置调制阶数同粒子数反转的重建时间之间的关系,给出了二者在一定范围内的一般映射。数值仿真表明,在接收能量使信道误码率优于10-2时,估算出的脉冲位置调制阶数能够使传信率接近最大值。

设计了一种深空非合作目标的激光扫描、捕获、跟踪地面实验装置,通过模拟深空同轨道运动的两颗卫星跟瞄过程,在理论上计算了跟瞄装置中光束指向驱动电机的最小加速度和其在跟踪过程中的运动特性。理论分析与仿真结果表明,当卫星偏离光斑中心一定距离时,指向驱动电机先加速后减速,补偿这个偏心,重新捕获跟踪卫星;重新捕获到跟踪所需时间受电机加速度和望远镜探测精度以及探测器响应处理时间影响,其中探测器精度对重新捕获到跟踪所需时间影响较大,探测器响应处理时间要减小到最小;为了使从捕获到跟踪过程中卫星始终在扫描光斑范围内,经纬仪驱动电机的最小角加速度为25.5°/s2。

为实现深空光通信链路建立过程中精确的对准,提出了一种深空光通信系统扩展信标的捕获方案。该方案以可视地球图像作为信标,在航天器上存储一幅信标图像作为参考图像,采用天线扫描的方式在各点对所瞄准的区域成像,利用像素扫描的方式,使参考图像和实际探测图像进行相关,在天线扫描完成以后,找出相关性最大的位置,即可认为在该点捕获到地球图像。在计算两图像相关系数的过程中,由于傅里叶梅林变换幅度谱具有伸缩及旋转不变性,因此利用傅里叶梅林变换即可消除两图像相关系数因为旋转和伸缩的影响。利用蒙特卡罗方法随机产生1000个视场,仿真结果表明,3σ内正确捕获到信标图像的概率为99.6%,表明这是一种可行的方法。

用激光进行深空探测科学数据回传，上行信标光衰减严重，不能提供足够高的跟踪速率，因此常采用自然天体图像作为信标。对该信标的捕获和跟踪是深空光通信链路成功建立和保持的关键。在航天器上存储一幅目标天体图像做参考，利用该图像和探测图像的相关性对该信标进行捕获，理论分析和仿真结果都表明，可以精确地确定光通信天线的初始对准方向，使跟瞄系统进入跟踪模式。基于离散傅里叶变换和极大似然方法对信标的平移进行计算，需要解一个非线性方程组，线性近似计算结果表明平移量总误差在0.5个像素以内，X方向的平移误差为3.3%，Y方向的平移误差为2.7%，可以满足深空通信的要求，因而是一种可行的方案。