通过红色激光束进行点对点高速数据传输

封面展示了低轨卫星通过激光链路构建星间通信网络的情景。多颗小卫星围绕地球运行，通过红色激光束进行点对点高速数据传输，不同于传统无线电通信，激光通信具备传输速率高、延迟低、抗干扰强等优点，能满足未来高速网络的需求。地球表面的网格结构象征着网络覆盖与服务能力，展现出“空天地一体化”通信系统的雏形。激光通信正在为构建更快、更稳定的卫星互联网提供关键支撑，标志着空间通信技术的飞跃发展。

一、背景介绍

随着低轨卫星互联网的发展，星间激光通信作为实现高速、低延迟数据传输的关键技术，正逐渐成为新一代卫星网络的核心。然而，低轨卫星具有轨道高度低、运动速度快等特点，导致激光链路在建立和保持过程中面临更大的挑战。其中，频繁的星间接入与退出使得激光通信终端必须具备快速、高精度的链路建立与维持能力。

为了实现快速建链，激光束​的指向精度要求极高，卫星的激光建链过程犹如在数百公里外拿着激光笔照射快速移动的对端目标，任何微小的姿态扰动、轨道预报误差或光轴误差都可能导致通信中断。因此，提高激光终端在动态环境下的快速建链与稳链能力，成为当前激光通信系统研究的关键方向。指向误差修正技术，是解决这一问题的核心技术手段。通过恒星标校和星间标校结合，有望显著提升系统对链路扰动的鲁棒性，实现低轨卫星网络中高效、稳定的激光通信链路动态管理与控制，支撑未来大规模星座系统的高性能运行。

二、创新工作

中国科学院上海光学精密机械研究所侯霞、鲁绍文团队针对星载激光通信中快速建链的应用需求，提出了一种基于参数寻优的激光通信终端指向在轨快速标校方案。该方案综合应用复杂的坐标系转换和误差修正矩阵，实现了对理论指向矢量的高精度修正，采用了斐波那契查找算法结合最小二乘法的寻优策略，提高了标校过程的收敛速度和精度，实现了对激光通信终端光轴的快速、精确标校。修正后的指向误差结果如图1所示，最小0.02 mrad，0.81 mrad，平均误差为0.42 mrad。

图1 指向误差修正拟合曲线

课题组在卫星上进行了多次在轨验证，实现了同轨道面上卫星之间最小指向误差为0.10 mrad，最大0.95 mrad，平均误差为0.46 mrad，如图2（a）所示；异轨道面卫星之间最小指向误差为0.01 mrad，最大1.46 mrad，平均误差为0.51 mrad，如图2（b）所示，在轨验证结果与一次指向偏差修正结果吻合。阶段性在轨验证实验表明，对激光终端指向偏差修正后，指向残差约为0.5 mrad，平均捕获时间从最初大于8 min减小到小于15 s，最大不超过30 s，与国内其它在轨建链验证试验（θFOU＜1.5 mrad）相比具有显著提升。

图2 星载激光通信终端建链测试。（a）同轨道面；（b）异轨道面

从修正后的指向误差验证数据可知，同轨道面卫星间的指向精度总体上优于异轨道面卫星间，这与轨道特性相吻合，同轨道面建链，电机的动态范围小，指向也更加精确；异轨道面间的建链，动态范围更大，需要修正的方位、俯仰电机指向位置也更广。同时，这两种链路的指向误差都存在周期性变化的特点，这是由轨道周期特性、轨道外流对于卫星舱板的形变等多方面因素所引起的。同时，经多次建链试验结果统计，指向误差较大的时候均是卫星进出阴影区的时候，卫星进出阴影区时，温度、能源、传感器和动力学环境的变化共同作用，导致指向误差增大。

三、总结与展望

在后续工作中，团队将聚焦于高精度指向实时修正模型的建立与优化，进一步将系统指向残差从当前水平减小至激光束散角量级，实现秒级建链功能。该研究将显著提升激光链路的稳定性和可用性，为基于激光星间链路的卫星互联网建设提供关键技术支撑。

参考文献： 中国光学期刊网

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