TDRSS激光空間鏈路光功率設(shè)計

從光功率的角度，分析了衛(wèi)星間長距離和出射光束發(fā)散角產(chǎn)生的空間傳輸損耗，當(dāng)傳輸速率增加、誤碼率上升時，接收機(jī)靈敏度下降；討論了不同衛(wèi)星數(shù)目時傳輸損耗與激光束發(fā)散角的關(guān)系，在考慮其他光功率開銷后，得出了發(fā)射光功率，發(fā)散角和接收靈敏度相互制約關(guān)系。
關(guān) 鍵 詞 光功率; 空間光通信; 跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng); 發(fā)散角; 接收靈敏度

為低軌道飛行體(LEO)提供跟蹤與數(shù)據(jù)中繼服務(wù)的TDRSS衛(wèi)星運行在靜止衛(wèi)星軌道上，通信的信道為真空。在真空中，不存在介質(zhì)的吸收、反射與散射的損耗，也沒有介質(zhì)材料色散與非線性效應(yīng)的限制，由于光波長比微波低幾個數(shù)量級，光束發(fā)散帶來的損耗也相對較低，因此，使用激光通信鏈路是最佳的選擇?？臻g激光通信具有設(shè)備體積小、重量輕、功耗低的特點，光波在真空中傳播時，沒有色散對傳輸速率的限制，也沒有非線性效應(yīng)對光功率密度的限制，而光功率損耗大，無法提供中繼，所以對光功率容限提出了較高的要求。星間激光鏈路是一個損耗限制的光通信系統(tǒng)，其中光功率大小是一個非常重要的參數(shù)，本文基于光功率，分析TDRSS中發(fā)射光功率、光束發(fā)散角和接收靈敏度對系統(tǒng)的限制因素。

理論基礎(chǔ)
從發(fā)射機(jī)出來的激光光束，以一定的發(fā)散角射向接收衛(wèi)星，經(jīng)過長距離傳輸后，光斑尺寸顯著擴(kuò)大，降低了接收機(jī)上的光功率密度。在系統(tǒng)傳輸碼率和誤碼率的要求下，接收機(jī)有一最小可接收光功率，為建立可靠的通信鏈路，最終到達(dá)探測器的接收功率必須大于接收機(jī)靈敏度。
1.1 自由空間傳輸損耗
自由空間的傳輸損耗是由傳輸距離和發(fā)散角造成的，首先應(yīng)確定傳輸距離。TDRSS星工作在靜止衛(wèi)星軌道上，理論上三顆這樣的衛(wèi)星就可以覆蓋地球上空除極地外的大部分區(qū)域，但是在覆蓋區(qū)域的交界處，由于對衛(wèi)星的高度角很小，有效接收面積小，能量密度較低，對接收機(jī)靈敏度的要求較高，所以實際系統(tǒng)應(yīng)用的衛(wèi)星數(shù)多于三顆，如六或九顆。根據(jù)衛(wèi)星軌道高度、地球半徑和衛(wèi)星數(shù)可以求出準(zhǔn)確的星間距離0R，即通信的傳輸距離。