引用格式：
李晓亮,刘荣科,刘向南,等.环月-地面激光通信链路运动特性分析与设计[J].中国空间科学技术,2023,43(5):71-78.
LI X L,LIU R K,LIU X N,et al.Link characteristics analysis and design of circumlunar to earth laser communication[J].Chinese Space Science and Technology,2023,43(5):71-78(in Chinese).
一
文章导读
1.研究背景
随着航天技术与空间科学的飞速发展，深空探测已成为人类航天活动的重要方向。深空探测任务多样化发展的同时对深空航天器通信系统提出了高速化、轻量化和小型化的应用需求。激光通信具有通信速率高、方向性强以及终端体积小、重量轻、功耗低等特点，可满足未来深空探测活动对高速率通信、超远距离传输、星际互联组网应用等需求，在未来的深空探测领域具有很好的应用前景。
随着卫星激光通信技术的不断发展，国内外学者在近地轨道卫星星间激光通信链路轨道特性仿真、双向光束稳定跟踪约束条件分析以及星间无信标光捕跟瞄等方面开展了相关研究，并报道了月面对地直接信息传输激光链路的相关研究成果。目前文献针对环月飞行终端—地面站激光通信链路运动特性的研究较少。本文针对环月飞行终端—地面站激光通信链路应用场景，仿真分析了环月飞行终端—地面站激光通信链路的主要运动特性及设计约束条件，并对月地直接信息传输下行链路进行了功率预算分析。
2.文章梗概
为了实现中国环月飞行器与地面站之间的高速激光通信，建立了环月-地面激光通信链路运动特性模型并进行了仿真分析。结果表明：利用地面站与环月飞行终端分别构建月地直接信息传输链路和月地中继信息传输链路时，喀什站的两种链路总可见时间比阿根廷站分别增加了约4.5%和6.5%，因此选取喀什站更有利于月地激光通信链路的构建；对于环月终端，其转动机构方位角范围-180°~+180°，俯仰角范围-19°~+89.7°，其最大提前指向角达18.2μrad；该月地激光链路的SEP（sun-earth-probe）角和SPE（sun-probe-earth）角近似呈周期性变化，每隔约15天出现一次最小值，因此激光终端设计时须考虑抗日光干扰；对于1550nm激光载波的多普勒频移量为±1.28GHz，多普勒频移变化率达1MHz/s，因此激光通信体制的选择须考虑多普勒频移变化特性。根据链路仿真结果和功率预算给出了环月—地面激光通信链路的设计建议。研究结果可以为环月—地面激光通信链路的设计提供参考。
3.总结与展望
结合中国深空地面站的分布特点，依据月地激光通信链路的运动特性以及功率预算分析结果可知，若环月飞行终端采用1.55μm波段激光载波，当发射功率为4W，通信体制为16PPM，深空激光地面站采用1.8m的接收天线和超导纳米线单光子探测接收时，可以实现月地下行622Mbit/s通信速率。以上分析和设计可为中国月地激光通信系统的设计提供一定参考。
二
作者简介
李晓亮，北京航空航天大学博士生，北京遥测技术研究所研究员，研究方向为航天测控通信技术。
刘荣科，北京遥测技术研究所教授，博士生导师，研究方向为无线通信与网络、航天测控通信技术
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来源：《中国空间科学技术》2023年第5期
编辑：陈飚
监制：祁首冰
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