CC BY
342
УДК 621.396.946
С. В. Гавриленко
МО РФ, Москва
Н. Н. Феоктистов
4 ЦНИИ МО РФ, Москва
Д. К. Хегай
Военно-космическая академия им. А. Ф. Можайского Санкт-Петербург
ОСОБЕННОСТИ СОВРЕМЕННОГО ЭТАПА РАЗВИТИЯ ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ МЕЖСПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ
Проанализированы основные исследовательские и экспериментальные работы по вопросам построения оптических линий межспутниковой связи. Представлены основные направления работ и достижимые уровни характеристик терминалов, создаваемых по перспективным программам.
Работы по созданию оптических линий межспутниковой связи (ОЛМС) ведутся с середины 1960-х гг. В 1970-х гг. в США была развернута систематизированная программа исследований, направленная на создание образцов бортовой аппаратуры [1—4], несколько позже активная работа в этом направлении началась в Западной Европе и Японии.
В США работы велись по программе Lasercom двумя группами разработчиков под руководством фирм McDonnel Douglas и Lockheed, первая разрабатывала аппаратуру с использованием прямого детектирования на основе твердотельных лазеров на алюмо-иттриевом гранате (АИГ) с неодимом. Вторая — на базе газовых непрерывных лазеров с использованием супергетеродинного приема. Разрабатывались высокоскоростные линии связи с быстродействием 100—1000 Мбит/c между геостационарными и низкоорбитальными космическими аппаратами (КА). Но десятилетние проработки показали, что оба варианта непригодны для практического использования.
Аналогичные работы выполнялись в СССР под руководством НИИ Приборостроения и НИИ Радиосвязи (Москва). В ходе работ этими организациями был выполнен значительный объем теоретических и экспериментальных исследований, проведено макетирование различных типов аппаратуры, выполнен ряд наземных и натурных экспериментов, зачастую не имевших мировых аналогов. Отечественные разработчики столкнулись с теми же проблемами, что и их американские коллеги. Этот фактор в сочетании с отсутствием практической потребности в передаче больших объемов информации привел к сворачиванию работ.
Использование оптических межспутниковых линий связи в настоящее время является одной из ведущих тенденций в развитии зарубежных и отечественных космических систем ретрансляции. Их применение позволяет резко нарастить пропускную способность, помехоустойчивость и скрытность линий связи при одновременном снижении массы и энергопотребления бортовой аппаратуры. В США, в отличие от Японии и стран Западной Европы, ОМЛС разрабатываются не только в гражданских, но и в военных целях. При решении военных задач МО США предполагает использовать лазерные линии для передачи в режиме
реального времени изображений с борта низкоорбитальных КА дистанционного зондирования Земли, данных от КА радиолокационного наблюдения с синтезированной апертурой и т.п.
В связи с возрастанием требований к дальности связи и скорости передачи информации в ОМЛС должны использоваться достаточно мощные оптические передатчики и оптические антенны большого диаметра (25—35 см), которые позволяют достичь чрезвычайно высокого коэффициента усиления (1010—1011 раз) при ширине диаграммы направленности 2—4". Дальнейшее увеличение размеров антенны ограничивается чрезвычайно высокими требованиями к точности наведения. При указанных размерах антенн требуется обеспечить точность наведения порядка 1 мкрад (0,2''), поэтому приходится принимать специальные меры по ее достижению. Обеспечение точной работы системы наведения в условиях космоса является одной из критически важных проблем, так как ее полномасштабные испытания на Земле практически невозможны.
Основной импульс в развитии современной оптической аппаратуры связи дало появление в начале 1980-х гг. одномодовых полупроводниковых лазеров, работающих в ближнем ИК-диапазоне (0,8—0,9 мкм), которые имеют малые габариты, небольшую стоимость, высокий КПД (25—35 %) и значительный ресурс (до 100 тыс. ч) [5, 6]. Именно в этом диапазоне длин волн работают эффективные полупроводниковые кремниевые фотодетекторы.
Основной недостаток полупроводниковых лазеров связан с низким уровнем излучаемой мощности 200—250 мВт, что обусловлено незначительными размерами излучающей площадки (1^3 мкм). Этот уровень мощности позволяет получить скорость передачи 50—150 Мбит/с при диаметре телескопа 25—35 см. Дальнейший рост пропускной способности возможен за счет спектрального уплотнения сигналов, что повлечет за собой существенное усложнение и без того непростого оптического тракта.
Среди зарубежных разработок линий связи на основе полупроводниковых лазеров середины 1980-х гг. необходимо, в первую очередь, отметить проект SILEX Европейского космического агентства [7]. В рамках этого проекта впервые реализована оптическая линия связи между низкоорбитальным КА SPOT-4 и геостационарным КА-ретранслятором ARTEMIS. Первые испытания линии были проведены в ноябре 2001 г., а к середине 2005 г. состоялось более 1000 успешных сеансов связи.
Оптическая аппаратура обоих типов КА строится на основе совмещенного телескопа диаметром 25 см и полупроводникового лазера, работающего в диапазоне 0,8—0,9 мкм. Скорость передачи с борта низкоорбитального КА на борт геостационарного КА составляет 50 Мбит/с. Япония в 2005 г. вывела на орбиту спутник OIСETS с аналогичным лазерным терминалом, предназначенным для проведения экспериментов с КА ARTEMIS. Масса терминала составляет 150 кг.
Массовые характеристики лазерных терминалов проектов SILEX и OICETS далеки от ожидаемых десятков килограммов, но это фактически первый опыт создания аппаратуры оптической межспутниковой связи, опирающийся на маломощные источники излучения. Главной задачей в этой работе было создание высокоточной системы наведения и ее испытание. И эта задача была успешно решена.
В оптических линиях связи диапазона 0,8—1,5 мкм, как правило, оптическое излучение сразу преобразуется в электрический сигнал. Гетеродинный прием, несмотря на более высокую чувствительность, значительно сложнее, так как требует использования дополнительного лазера (гетеродина) и компенсации доплеровских сдвигов частоты. В диапазоне длин волн 0,8—1,5 мкм наиболее эффективны полупроводниковые фотодетекторы (pin-диоды и лавинные фотодиоды) на основе кремния (в диапазоне длин волн 0,7—0,9 мкм), германия и индий-арсенида галлия (в диапазоне длин волн 0,9—1,3 мкм). Особенностью pin-диодов является высокая квантовая эффективность, малые внутренние шумы и наиболее широкая полоса пропускания. А главный недостаток — отсутствие внутреннего умножения, что затрудняет схем-
ную реализацию. В отличие от них лавинные фотодиоды обладают коэффициентом умножения 300—2000, но имеют меньшую полосу пропускания и больший уровень шумов.
Лазерные маяки, как правило, строятся на основе мощных многомодовых полупроводниковых лазеров. Основным датчиком контура грубого наведения являются фотоприемные матрицы на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС-матрицы). Для точного наведения используется либо часть центральных элементов матрицы (обычно 4), либо четырехпольные фотодиоды.
Для проекта SILEX фирмой Thomson-CSF были разработаны матрицы размером 288 х 288 элементов, для точного наведения используются центральные элементы этой же матрицы. Система наведения обеспечивает точность не хуже 1,65 мкрад [8].
Все оптико-механические системы строятся, как правило, с использованием единой для передачи и приема антенны зеркального типа. Для грубого наведения используются шаговые электродвигатели. В контуре точного наведения применяются зеркала, управляемые пьезоэлектрическими или электромагнитными приводами.
Дальнейшее наращивание пропускной способности стало возможным за счет более мощных источников излучения, в качестве которых используются волоконные усилители в сочетании с лазерным задающим передатчиком. Эта технология отработана в наземных магистральных линиях оптической связи. Первые сообщения об этом появились уже в середине 1990-х гг., в частности на ежегодной конференции Free-Space Laser Communication Technologies VII [9].
В России разработку лазерных терминалов на основе волоконных усилителей ведет НИИ Прецизионного приборостроения (НИИ ПП). В разрабатываемой НИИ 1111 аппаратуре используется многоапертурная оптическая антенна и волоконно-оптический интерфейс между антенной и приемопередающими элементами. Это позволяет максимально снизить вес подвижной части антенны, упростить оптическую схему и разместить электронный блок на платформе КА в достаточно комфортных условиях.
Для передачи информации используются волоконные усилители диапазона 1,55 мкм разработки НТО „ИРЭ-Полюс". Достигнутый уровень мощности (5—10 Вт) не имеет мировых аналогов и позволяет достичь пропускной способности 600 Мбит/с и более.
Сравнительные характеристики терминала, созданного в рамках проекта SILEX, и отечественного терминала разработки НИИ ПП приведены в таблице. Анализ показывает, что отечественная аппаратура по основным параметрам превосходит западно-европейский аналог. Большая потребляемая мощность объясняется значительно более высокой мощностью излучения.
Сравнительные характеристики лазерных терминалов
№ п/п Наименование характеристики Терминал проекта SILEX Терминал разработки НИИ ПП
1 Скорость передачи, Мбит/с 50 600
2 Масса аппаратуры, кг 150 (1 комплект) 130 (2 комплекта)
в т. ч. подвижной части 70 30
3 Максимальная мощность излучения, Вт 0,16 10
4 Диаметр оптической антенны, см 25 20
5 Ширина луча, ..." 2 4
6 Диапазон частот, мкм 0,8—0,9 1,55
7 Потребляемая мощность, Вт 180 300
В последнее время военные программы США в области оптической космической связи проводились под эгидой Управления противоракетной обороны (в настоящее время — Агентство по противоракетной обороне), исследовались следующие типы линий:
— оптические межспутниковые линии;
— оптические линии КА—Земля;
— оптические линии связи между специализированными самолетами (командные посты, самолеты разведки);
— лазерные линии самолет—КА.
Фирмами ThermoTrex и Astroterra в середине 1990-х гг. была разработана серия экспериментальной оптической аппаратуры, предназначенной для связи между самолетами, между самолетами и низкоорбитальными КА, между низкоорбитальными КА и Землей, а также для межспутниковой связи [10]. Дальность связи — до 2500 км, скорость передачи данных ~1,2 Гбит/с. В аппаратуре использовалось частотное уплотнение по свету мощных (до 200 мВт) одномодовых полупроводниковых лазеров и атомные фильтры для ослабления фонового излучения при работе в дневных условиях. Были проведены успешные демонстрационные испытания между двумя приемопередатчиками, расположенными на горных вершинах высотой ~2 км на удалении 42 км.
Фирмой Astroterra был разработан экспериментальный бортовой лазерный терминал STRV-2 (Astrolink-1000) весом около 15 кг; энергопотребление в сеансе связи — 95 Вт. Он должен был обеспечивать скорость передачи информации 1,24 Гбит/с на линии КА—КА при дальности 1600 км и на линии КА—Земля — при дальности 1700 км. На Земле для приема сигналов предполагалось использовать телескоп диаметром 40 см, а для передачи — 3 телескопа диаметром 25 см. Такой подход должен был обеспечить преодоление замираний сигнала в атмосфере. В бортовом терминале использовалась приемная двухзеркальная антенна с диаметром первичного зеркала ~15 см и весом около 10 кг.
Отличительной особенностью терминала являлось использование атомного фильтра с чрезвычайно узкой полосой пропускания, что позволяло работать на фоне отраженного солнечного света. Для приема использовались два высокоскоростных канала по 620 Мбит/с, для передачи — 8 параллельно работающих лазерных излучателей диапазоном 0,81 мкм с диаметром оптики 2,5 см, размещенных вокруг приемной антенны. Передача также могла вестись на двух каналах. Два маяковых лазера работали на длине волны 0,852 мкм. В системе наведения использовались ПЗС-матрицы форматом 288x384 элемента.
Терминал был выведен на орбиту в июне 2000 г. в составе экспериментального КА ТSX-5, однако из-за проблем в системе наведения его испытания провести не удалось [11].
В лаборатории им. Линкольна Массачусетского Технологического института (МIT Lincoln Laboratory) длительное время разрабатывался связной терминал со скоростью передачи данных 1 Гбит/с на основе эрбиевых волоконных усилителей с длиной волны 1,55 мкм. Не исключено, что эти разработки были использованы на экспериментальном геостационарном КА GeoLITE [12], который был создан в интересах Национального разведывательного управления США и выведен на геостационарную орбиту 18 мая 2001 г.
Основным назначением спутника является испытание нового лазерного коммуникационного оборудования, разработанного лабораторией им. Линкольна. Аппаратура терминала позволяет передавать информацию со скоростью от 50 Мбит/с до 1,2 Гбит/с на длине волны 1,55 мкм. Эксперимент прошел успешно, но его результаты не были опубликованы. Не исключено, что лазерное оборудование предназначено для испытаний линии Космос—Земля и оценки условий распространения лазерного излучения в атмосфере.
В последнее время появились сообщения о возможности использования лазерных линий межспутниковой связи на перспективных американских КА военной связи TSAT, Advanced EHF и TDRSS. Программы НАСА по космическим оптическим линиям связи разрабатываются в основном Лабораторией реактивного движения JPL. В настоящее время JPL работает над проектом Mars Laser Communications Demonstration по созданию лазерной линии связи между Марсом и Землей со скоростью 1—30 Мбит/с.
В настоящее время в Японии создана стройная программа по развитию космической оптической связи, которая предусматривает исследования многоканальной среднескоростной
(300 Мбит/с) системы связи на длине волны 0,8 мкм и высокоскоростной системы на длине волны 1,5 мкм. Через 10 лет планируется достичь пропускной способности 10 Гбит/с. Оптические линии планируется использовать по двум направлениям: для межспутниковой связи и для высокоскоростной связи между спутником и наземной станцией (самолетом). Для достижения таких параметров предполагается использовать эрбиевые волоконные усилители на длине волны 1,55 мкм с накачкой полупроводниковыми лазерами. Это объясняется высокой надежностью последних, широкой распространенностью и возможностью увеличения выходной мощности за счет увеличения диаметра сердцевины волокна.
Первоочередной задачей японского аэрокосмического агентства являлась отработка терминала оптической связи между низкоорбитальным и геостационарным КА с помощью экспериментального КА OICETS [13]. Программа начата в 1992 г., она самым тесным образом связана с западноевропейской программой SILEX, что предопределило близость основных характеристик и использование спутника ARTEMIS в качестве ретранслятора.
КА OICETS был запущен ракетой-носителем (РН) „Днепр" 23 августа 2005 г. с космодрома Байконур на круговую орбиту высотой 610 км и наклонением 97,8° [14]. Масса КА 570 кг. В декабре 2005 г. состоялся первый двусторонний сеанс связи между КА OICETS и ARTEMIS [<http://www.jaxa.jp/press/2005/12/20051209_oicets_j.html>]. На спутнике OICETS установлена лазерная аппаратура LUCE (Laser Utilizing Communications Equipment). В качестве излучателей применяются два полупроводниковых лазера мощностью по 200 мВт. В направлении от низкоорбитального КА к геостационарному передача ведется на длине волны 0,847 мкм со скоростью 50 Мбит/с. В отличие от КА SPOT-4 в данном случае обеспечивается передача информации и в обратном направлении со скоростью 2,048 Мбит/с на длине волны 0,819 мкм. Диаметр телескопа составляет 26 см, масса оптической части — 100 кг, блока электроники — 40 кг. Энергопотребление в сеансе связи достигает 280 Вт. Механический привод выполнен по азимутально-угломестной схеме.
В марте и апреле 2006 г. были проведены эксперименты по связи с наземной станцией NICT (Токио). На станции для передачи использовался телескоп диаметром 1,5 м, в качестве приемного использовалось отдельное устройство с диаметром антенны 20 см. Отработка технологии высокоскоростной передачи данных планируется с помощью экспериментального оборудования LCDE (Laser Communications Demonstration Equipment), которое должно быть установлено в японской лаборатории JEM (Japan Experiment Module) в составе международной космической станции. Оборудование LCDE использует источники лазерного излучения длиной волны 1,55 мкм с эрбиевыми волоконными усилителями мощности (EDFA). Предполагается использовать это оборудование для связи с Землей, для наблюдения за звездами и обнаружения космического мусора.
По мнению японских специалистов, гигабитные скорости передачи информации потребуются при создании глобальной информационной инфраструктуры, в которой оптические межспутниковые линии позволят создать космические узловые станции, при передаче телевизионных частот.
Перспективные исследования в Западной Европе связаны с разработкой оптических систем связи, обеспечивающих скорость передачи свыше нескольких сотен Мбит/с и единиц Гбит/с при существенном снижении массо-габаритных и стоимостных характеристик, что должно повысить коммерческую привлекательность этих проектов [<http://www.eid.dlr.de/tsx/start_en.htm>]. Для этого требуется использовать телескопы уменьшенного диаметра (10 см), разрабатывать лазеры увеличенной мощности и повышать чувствительности приемников. Понимая это, Европейское космическое агентство начало в январе 1992 г. разрабатывать малый оптический терминал SOUT (Small Optical User Terminal) для низкоорбитального КА, совместимого с терминалами SILEX. Терминал SOUT предназначен для передачи данных со скоростью 2—10 Мбит/с, имеет массу 25 кг при энергопотреблении 40 Вт и диаметре телескопа 7 см.
Предусматривалось использование антивибрационной опоры, которая действует как фильтр по отношению к микровибрациям со стороны спутниковой платформы. Макет терминала был изготовлен в 1995 г. и не проходил летной квалификации.
После завершения этих работ по инициативе Великобритании были начаты разработки терминала передачи данных SOTT (Small Optical Telecommunication Terminal) между двумя геостационарными КА на дальности до 80 000 км. Проектирование терминала было завершено в 1996 г., в нем использовался 20-сантиметровый телескоп, лазер на длине волны 0,85 мкм с оптическим усилителем, что обеспечивало выходную мощность 2 Вт, модуляцию по интенсивности и прямое детектирование. Масса терминала составляла 45 кг при энергопотреблении 100 Вт. В настоящее время работы по этой программе приостановлены вследствие появления новых, более совершенных технологий.
В поисках путей создания малогабаритных лазерных терминалов Европейское космическое агентство проводило исследования альтернативных концепций и технологий. Полупроводниковые лазеры и прямое детектирование соответствуют среднескоростной передаче данных вследствие физических ограничений на излучаемую мощность и чувствительность фотодетекторов. Когерентные оптические системы на основе твердотельных АИГ-лазеров более перспективны для высокоскоростной передачи данных. У них нет таких ограничений на излучаемую мощность и чувствительность (с учетом квантового предела). Поэтому с 1989 г. Европейское космическое агентство последовательно уделяло внимание развитию когерентных систем связи на основе Nd: АИГ-лазеров.
Одна из работ под наименованием „Разработка базовой лазерной системы связи с полупроводниковой накачкой" (Design of a Diode-Pumped Nd: Host Laser Communication System) выполнялась в рамках программы ARTES-4. Трудности с финансированием препятствовали полноценной разработке, поэтому было принято решение ограничиться макетами ключевых элементов, включая АИГ-лазер с полупроводниковой накачкой, многоканальный когерентный оптический приемник и электрооптический фазовый модулятор.
Другая программа SOLACOS (Sülid State Laser Communications in Space), выполнявшаяся в Германии с 1989 г. фирмой Dornier Satellite Systeme GmbH, имела статус национальной программы и предусматривала разработку терминала для связи между геостационарными КА со скоростью 650 Мбит/с [15, <Optical Communication and Intersatellite Link. December 1998; http://itri.loyola.edu/satcom2/03_06.htm>]. Он имел 15-сантиметровую апертуру, твердотельный АИГ-лазер на длине волны 1,064 мкм с выходной мощностью 1 Вт и когерентный приемник; масса терминала составляла 70 кг. Его макет был изготовлен в 1997 г.
В последующем работы в этом направлении были продолжены — фирмой Tesat Spacecom Gmbh был создан лазерный терминал LCT (Laser Communication Terminal), предназначенный для проведения экспериментов по передаче информации между двумя низкоорбитальными КА и между КА и наземной станцией [16]. Скорость передачи — 5,5 Гбит, масса — 25 кг, потребляемая мощность — меньше 130 Вт, диаметр антенны — 125 мм, излучаемая мощность — 0,7 Вт с возможностью увеличения до 5—7 Вт. В качестве передатчика используется АИГ-лазер с накачкой полупроводниковыми лазерами, длина волны — 1,064 мкм, способ приема — гомодинный. Характерной особенностью терминала является то, что наведение поля зрения осуществляется с помощью двух поворотных зеркал. Сам телескоп и система прецизионного наведения закреплены на неподвижном основании.
Один экземпляр терминала установлен на коммерческом спутнике радиолокационной съемки Земли TerraSAR-X (терминал TSX-LST), выведенном на орбиту 15 июня 2007 г. с помощью РН „Днепр", другой — установлен на американском военно-экспериментальном спутнике NFIRE, запущенном 24 апреля 2007 г. в интересах Агентства по противоракетной обороне. О результатах экспериментов пока не сообщалось.
Таким образом, анализ программ в области космической лазерной связи позволяет сделать вывод о том, что уже создана элементная и промышленная база для среднескоростных (сотни Мбит/с) линий связи на основе полупроводниковых лазеров диапазона 0,8—0,9 мкм. Подтверждена возможность функционирования линии связи между двумя КА при предельно узких диаграммах направленности — 2", что открывает широкие возможности по их практическому внедрению. Начата разработка нового поколения аппаратуры связи на основе волоконных усилителей и твердотельных лазеров с пропускной способностью порядка единиц Гбит/с. Активно развиваются новые направления использования космических лазерных средств, такие как связь при межпланетных перелетах, высокоскоростная связь по линии Космос—Земля и Космос—Космос.
список литературы
1. Макелрой Дж. К. и др. Системы связи для ближнего космоса, использующие лазеры СО // ТИИЭР. 1977.
Т. 65, № 2. С. 54—89.
2. Росс М. и др. Оптическая связь в космосе с использованием лазера на АИГ:Ш // ТИИЭР. 1978. Т. 66, № 3.
3. Гуляев Ю. Д., Манжура Ю. Г. Лазерные космические системы связи // Зарубежная радиоэлектроника. 1979. № 9. С. 38—49.
4. Ефременко В. В. Оптические линии связи в космосе // Итоги науки и техники. Сер. Связь. М.: ВИНИТИ, 1991. Т. 8. С. 3—23.
5. Лазерная космическая связь: Пер. с англ. / Под ред. М. Кацмана. М.: Радио и связь, 1993. 240 с.
6. Крюкова И. В. Лазеры для межспутниковых линий связи // Лазеринформ. 1994. № 53. C. 12—27.
7. Lutz H. P. Optical Communications in Space // Twenty Years of ESA Effort, ESA Bull. N 91. August 1997. P. 24—36.
8. Nielsen T. Pointing, Acquisition and Tracking System for the Free Space Coommunication System, SILEX // Proc. SPIE. 1995. Vol. 2381. P. 194—205.
9. Free-Space Laser Communication Technologies // Proc. SPIE. 1995. Vol. 2381. P. 56—69.
10. Korevaar E., Hofmeister R., Chow-Miller C., Adhikari R., Hakakha H., Guthbert D., RuigrokR. Design of terminal for Ballistic Missile Defense Organisation lasercom technology demonstration // Proc. SPIE. 1995. Vol. 2381. P. 60—72.
11. Kim I., Riley B., Wong N.M., Mitchell M., Brown W., Hakakha H., Adhikari P., Korevaar E.J. Lessons learned for STRV-2 satellite-to-ground lasercom experiment // Proc. SPIE. 2001. Vol. 4272. P. 1—15.
12. Агапов В. GeoLite — развитие космических технологий в интересах разведки // Новости космонавтики. 2001. № 7. С. 26—34.
13. Nakagawa K., Yamamoto A. Preliminary design of Laser Utilizing Coommunications Equipment Installed on Optical Inter-Orbit Coommunications Engineering Test Satellite // Proc. SPIE. 1995. Vol. 2381. P. 14—26.
14. Афанасьев И. Пятый пуск Днепра // Новости космонавтики. 2005. C. 23—26.
15. Selding P. Laser Projects Rank High In German Space Budget // Space News. 2003. March.
16. Lange R., Smutny B. In-Orbit Verification of Laser Communication Terminals // 23rd ICSSC of AIAA. 2005.
С. 5—69.
№ I000280.
Рекомендована кафедрой автономных систем управления
Поступила в редакцию 09.02.07 г.
