[发明专利]多功能空间激光通信地面测试系统及静态参数测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及空间激光通信领域，特别是涉及一种多功能空间激光通信地面测试系统及静态参数测试方法。

背景技术

空间激光通信系统作为一种有效载荷，无论是在研制完成后，还是在发射之前，都要对其主要的技术指标进行严格的测试，这些指标包括动态参数如跟瞄精度、捕获特性、通信误码率等，以及静态参数如超前瞄准误差、远场分布、光功率、静态指向误差等。一般空间激光通信的距离为几百公里至几十万公里，甚至更远，而光端机的孔径在几厘米到几十厘米，所以，光信号的接收为远场接收。空间激光通信地面测试可分为系统级别的测试、分系统或模块级别的测试以及元件级别的测试。发射端机和接收端机可以统称为通信端机，简称为端机。发射端机和接收端机共同组成一个相互耦合的系统，而所谓端机级系统测试是指在实验室近距离条件下，两个通信端机整机，直接互相对准，进行捕获、跟瞄、通信等性能指标的测试。端机级的系统性能测试的优点是“所见即所得”，即，其测试结果直接代表着被测光通信系统在轨时的特性，而不需要再用仿真模型，推断在轨时的性能，是一种与在轨情形最为接近地面测试方法，系统级别的测试在信道上一定是存在双向的光信号。

国内外比较典型的地面验证与测试系统有：欧空局ESA在SILEX计划中的地面支撑测试设备TTOGSE(Terminal Test Optical Ground Support Equipment)和系统测试平台STB(System Test Bed)、日本星间激光通信实验室开发的验证系统GOAL(Ground Optical Assistance for LUCE)、日本ART光通信和射频通信研究室研究的自由空间激光传输模拟器、美国喷气推进实验室JPL开发了LTES(Lasercom Test and Evaluation Station)测试系统以及北京大学研制的激光通信远场特性参数测试系统。

上述测试系统都是在近距离实验室条件下进行的与光信号相关的测试，其最终目的就是得到端机未来在轨时的特性。无论什么样的地面验证与测试系统，欲使其测试结果等价于实际在轨时的情形，必须满足光远场条件，或者模拟远场条件。在地面，由于大气的影响，采用把发射端机和接收端机拉开远场距离的方法显然是不现实的，解决的方法有三种，一种是拆掉光学天线进行测试的方法，由于光束孔径变小，远场条件容易得到满足，如上文提到的ESA的SILEX计划就是采用这种方法，该方法后续要进行配套的部件、元件的测试以及计算机仿真，才能间接得到端机系统在轨时的特性，过程繁冗，无法实现整机的测试。另一种解决方法是采用长焦距的透镜进行远场模拟，这种方法是把端机发出的光束用一套长焦距的透镜(实际也可能采用反射式的)，在其焦平面上即可得到模拟的远场光信号，为了使对方接收端机接收到与其在空间在轨时相对应的光功率，常使用一微孔在焦平面进行波面取样，取样后的光信号传递给对方接收端机，微孔的尺寸按比例，对应于空间实际接收天线的孔径。这种测试方法虽然是整机的测试，但只是实现了单方向的信号传输，而实际的激光通信系统，需要每一个通信端机必须跟踪对方的信号，实现双向锁定，即，信道上的光束一定是双向的。还有一种是模拟远场的测试方法，这种方法的原理是，由于在光通信中，光信号的接收是远场接收，接收天线的孔径相对于入射波面的曲率非常小，因此，在接收端机接收孔径范围内，入射光信号可以看成是均匀的平行光。根据这一原理，在一些地面验证与测试方法当中，比如，跟瞄精度的测试，采用的是一束模拟的平行光束，入射到通信端机中，以此来模拟对方端机发射的光束。这种方法仍然是属于单机的测试。

上述三种满足远场条件的测试方法，或者不是整机的性能测试，或者在信道上仅存在单向信号，与实际的双向信号不符，或者只是单个通信端机的测试，尚未实现两个端机整机直接对准的系统级的测试。另一方面，目前国内外地面验证与测试系统，仅仅考虑了光学远场的条件，没有考虑卫星间的相对运动、大气信道等因素的影响。例如，在星地激光通信链路中，大气信道对光传输的影响是不可避免的。最后，从功能的角度，国内外的地面验证系统针对动态指标和静态指标的测试都是采用两个分开的独立的系统，功能相对单一，无法实现利用一个系统同时完成动态指标和静态指标多功能的地面测试。