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。

空间激光通信凭借其带宽优势, 成为未来高速空间通信不可或缺的有效手段, 是近年来国际上的研究热点。本文详细介绍了美国、欧洲和日本在空间激光通信技术领域的最新研究进展和未来发展规划, 总结了国内外空间激光通信演示计划的主要参数指标。通过对空间激光通信最新研究计划的分析, 归纳出空间激光通信高速化、深空化、集成化、网络化、一体化5个发展趋势, 以及需要突破的高阶调制、高灵敏度探测、多制式兼容、“一对多”通信等关键技术。为我国激光通信设备及相关研究提供借鉴和参考。

空间光通信经历了几十年的发展，已经演变出两代光通信终端，并完成多次在轨实验。概述了空间光通信的整体发展历史，详细介绍了欧洲、日本和美国的空间光通信的发展历程，并对其中较为典型的终端或实验及其关键技术进行着重阐释。简要介绍了国内的发展现状，分析了空间光通信的发展趋势，并指出技术上面临的挑战。

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。

研究了深空光通信中的光束精确瞄准技术.从航天器和天体的运动规律出发,建立了一种基于航天器和地球星历表的深空光通信的瞄准理论,导出了瞄准矢量在航天器星上坐标系中角度,角速度,角加速度的变化规律,对两终端的相对运动进行分析,导出提前瞄准角和接收光波长多普勒频移的变化规律,进行了计算机仿真.结果表明,瞄准角度、角速度、角加速度、提前瞄准角呈现出周期性变化,在当前的技术水平下,在深空距离下能实现光束的精确对准.接收光波长的多普勒频移也呈现周期性变化,其大小在0.07 nm以内,决定了深空光通信中窄带滤光片的带宽应在0.7 nm以上,也表明在深空光通信中,采用相干探测方法将面临严重挑战.

提出了一种深空光通信扩展信标的跟踪方法.该方法的原理是在航天器上存储一幅信标图像作为参考,把实际信标图像看成参考信标图像和附加高斯白噪声和的形式,基于离散傅里叶变换和相位相关技术对信标的旋转因子和平移因子进行计算.理论分析与仿真结果都表明,该方法可以把跟踪误差控制在0.5个像素以内.针对不同的信噪比对该方法进行仿真,计算误差并没有显著的变化,表明该方法具有良好的抗干扰性,能满足光通信链路实时运行的要求,是一种可行的方案.

提出一种深空光通信系统的信标捕获、跟踪方案,该方案是以恒星作为信标,根据恒星在惯性坐标系中的绝对位置信息,基于航天器和地球星历表、航天器的姿态信息来进行下行光束瞄准方向的精确控制.理论分析和计算机仿真都表明,星敏感器的测量精度和焦距,下行信号光的束散角将影向激光链路成功建立概率.下行信号光束散角为30μrad,星敏感器视场为8°×8°,焦距为143mm,恒星的中心位置测量精度达到0.10个像素时,链路成功建立的概率达到96.4%,表明该方案是可行的.

提出一种导航星表的构建方法,该方法以星跟踪器视场内最亮恒星作为信标,把信标锁定在视场中心,测量视场内其他恒星到信标的角间隔,把测量的所有恒星角间隔和信标的赤经、赤纬存储到导航星表中.基于该方法,利用史密森天文观测台恒星星表(SAO),选择星等小于6等的恒星,建立起导航星表,该星表仅包括5103颗星,其容量仅为1.2兆.相对三角形算法,该星表容量更小,可节省星载系统的存储空间,减少识别时间,提高跟踪速率.蒙特-卡诺仿真结果表明,利用该导航星表识别信标具有较好的抗干扰性,且当星跟踪器测角误差(3σ)在1μrad以内时,信标正确识别概率几乎为100%.

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。