Автоматизированный аппаратурный комплекс спутниковой открытой оптической связи
AUTOMATED HARDWARE SYSTEM OF SATELLITE OPEN OPTICAL COMMUNICATION

Настоящее изобретение относится к области оптической связи и может быть использовано на искусственных спутниках Земли или на самолетах для приема и передачи информации.
Современные тенденции развития спутниковых систем связи и передачи информации характеризуются ростом потребности в пропускной способности линий до 10 Гбит/с, увеличением дальности до 80 тысяч км, уменьшением массы, энергопотребления и габаритных размеров спутниковой аппаратуры - все это достигается при обеспечении скрытности и защищенности передачи, уменьшения зависимости функционирования линии от наземных пунктов управления и существенного увеличения срока активного существования аппаратуры на орбите (до 15 лет). Наилучшие возможности удовлетворения этим требованиям имеет новый для спутниковых систем связи и передачи информации диапазон - оптический.
Для организации высокоскоростной транспортной среды сейчас широко применяются линии волоконно-оптической, радиорелейной и спутниковой связи. В ряде применений: надводные корабли, мобильные командные пункты различного базирования и т.п., спутниковые средства связи являются практически единственными для организации высокоскоростного информационного обмена [Журнал национальная оборона №12 декабрь 2010].
Известен бортовой ретранслятор - радиотехническое приемо-передающее устройство, устанавливаемое на ИСЗ и предназначенное для приема и передачи информации (Л.Н. Новик, И.Д. Морозов, В.И. Соловьев. Спутниковая связь на море. Л. Судостроение, 1987 г. С. 101-130. Построение аппаратурных комплексов морских систем спутниковой связи). Данное техническое решение выбрано за прототип.
Бортовой комплекс спутниковой связи представляет собой приемо-передающую систему с блоком управления и электропитания, антенное устройство и оконечную аппаратуру. Оконечная часть станции выполнена в виде стойки, состоящей из блока управления антенной, приемо-передающих блоков и пульта управления станцией. Стабилизация и наведение антенн производится с помощью следящих систем, работающих от датчиков, и процессора, входящего в состав станции.
Недостатками существующих систем спутниковой связи являются большие массогабаритные размеры и низкая пропускная способность.
Цель изобретения - увеличение пропускной способности при одновременном снижении массы бортовой аппаратуры.
Поставленная цель достигается тем, что автоматизированный аппаратурный комплекс спутниковой открытой оптической связи выполнен в виде двух модулей, соединенных между собой посредством линий связи, при этом в первый модуль входят блоки управления комплексом, телеметрии, системой наведения, а также информационный приемник и оптический передатчик, во второй модуль входят привод с датчиками, электрооптический координатор, разделитель, лазерный маяк, оптическая антенна, опорно-поворотное устройство, скоростной оптический дефлектор, светоделительный блок и блок упреждений, причем блок управления комплексом получает команды и данные от оконечной аппаратуры, установленной на искусственном спутнике Земли (ИСЗ), он соединен с блоком управления системой наведения, который обеспечивает построение системы наведения секундных световых пучков корреспондентов друг на друга, при котором в процессе связи выдается пеленг с точностью более 10 угл. с, а блок управления системой наведения в свою очередь соединен с приводом с датчиками, электрооптическим координатором, лазерным маяком, оптической антенной, которая используется как на прием, так и на передачу информации, а также с блоком упреждений, при этом информационный приемник своим выходом соединен с оконечной аппаратурой, установленной на ИСЗ, а входом соединен с разделителем, который соединен с электрооптическим координатором и светоделительным блоком, а последний соединен с блоком упреждений и через блок скоростного оптического дефлектора и опорно-поворотного устройства с оптической антенной, причем в качестве антенны используется телескопическая зеркальная система - главное зеркало, которое выполнено асферическим на облегченной ситалловой подложке, а для передачи через опорно-поворотное устройство светового сигнала используется зеркальный световой шарнир, причем оптический передатчик соединен с передающей аппаратурой, находящейся на ИСЗ, и блоком упреждений.
На фиг. 1 представлена блок-схема автоматизированного аппаратурного комплекса спутниковой открытой оптической связи.
На ИСЗ 1 установлен комплекс спутниковой открытой оптической связи, который выполнен в виде двух модулей.
В I первый модуль входит:
блок управления комплексом 2, блок телеметрии 3, блок управления системой наведения 4, информационный приемник 5, оптический передатчик 6.
Во второй II модуль входит: привод с датчиками 7, электрооптический координатор 8, разделитель 9, лазерный маяк 10, оптическая антенна 11, опорно-поворотное устройство 12, скоростной оптический дефлектор 13, светоделительный блок 14 и блок упреждений 15.
На фиг. 2 представлена функциональная схема оптического передатчика 6, которая содержит:
16 - модуль управления и модуляции;
17 - систему контроля и управления передатчиком;
18 - телеметрию;
19 - оптический модуль;
20 - термостабилизированную систему теплового режима мощных лазерных излучателей;
21 - вторичный источник питания.
На фиг. 3 изображен бортовой приемопередатчик оптического диапазона для спутника на геостационарной орбите (на одно направления).
В него входит:
22 - контейнер; 23 - антенна; 24 - привод; 25 - маяк; 26 - опорная плоскость; 27 - зеркало.
Принцип работы комплекса заключается в том, что передаваемый поток данных от аппаратуры пользователя поступает на интерфейсный модуль и затем на модулятор излучателя. Затем сигнал преобразуется высокоэффективным лазером в оптическое излучение, оптикой формируется в узкий пучок (2-4 мрад) и передается через атмосферу к приемнику. На противоположном пункте принимаемое оптическое излучение фокусируется приемным объективом на площадку высокочувствительного быстродействующего фотоприемника (лавинным или p-i-n - фотодиоды), где детектируются. После дальнейшего усиления и обработки сигнал поступает на интерфейс приемника, а оттуда на аппаратуру пользователя.
Работа автоматизированного аппаратурного комплекса спутниковой открытой оптической связи осуществляется следующим образом.
Сигналы ИСЗ 1, принятые антенной 11, ослаблены потерями из-за поглощения оптических волн на трассе распространения, и для их приема требуется высокая чувствительность входных приемных устройств. С помощью скоростного оптического дефлектора 13 сигналы преобразуются из одного вида поляризации поля в другой (линейная в круговую, и наоборот), с помощью фильтров разделения сигналов 9 приема и передачи, а также полосовых фильтров обеспечивается требуемая развязка трактов приема и передачи. Особое значение имеет проблема развязки фотоприемника от сигналов собственного передатчика. Необходимый уровень развязки -70…80 дБ. Излучение передатчика на основе одномодовых полупроводниковых лазеров, используемых в заявляемом комплексе - плоскополяризованное, поэтому для развязки предложено использовать кроме спектральной фильтрации, еще расфильтровку по поляризации. В терминалах корреспондентов ориентация плоскости поляризации излучения передатчиков относительно основания выбирается взаимно ортогональной. Излучение передатчиков проходит через оптический тракт, в котором установлена фазовая пластинка, преобразующая плоскую поляризацию в круговую. В эфире встречные сигналы от корреспондентов будут иметь круговую поляризацию с противоположными направлениями. После антенны 11 принятый сигнал круговой поляризации преобразуется в сигнал плоской поляризации, но перпендикулярный относительно сигнала передатчика корреспондента. Опорно-поворотное устройство 12 имеет в своем составе неподвижное основание, вращающуюся платформу, механизм вращения платформы вокруг вертикальной оси и подъема антенны относительно горизонтальной оси с помощью электропривода. Механизм вращения и подъема антенны выполнен в виде системы соединенных последовательно планетарной и волновой дифференциальной передачи. Он обеспечивает наведения оптической антенны 11 на корреспондента.
В связи с применением скоростного оптического дефлектора 13, в котором происходит скоростная обработка цифровых кодовых сигналов, которые передаются по оптической линии связи, используется симплексный метод передачи информации. В этом случае вход приемника 5 корреспондента открывается в промежутках между передачей пакетов своим передатчиком. Это существенно снижает требования к развязке приемного и передающего каналов и позволяет упростить оптический тракт аппаратуры. Светоделительный блок 14 выполнен с возможностью создания узкого лазерного луча, размещенного между скоростным оптическим дефлектором и блоком упреждений. Разделитель 9 представляет собой трапециевидную призму BP-180 с двумя приклеенными к отражающим граням АР-90, который обеспечивает разделение оптического излучения. А блок упреждений 15, основываясь на бесконтактном принципе действия, обеспечивает практически неограниченное количество циклов включения-выключения оптического излучения.
Полупроводниковый лазерный излучатель является одним из основных элементов передающего тракта связанного канала комплекса аппаратуры спутниковой открытой оптической связи. Именно в лазерном излучателе информационный сигнал, поступающий на его вход через драйвер, преобразуется из электрического в оптический. Затем этот световой пучок, несущий информацию, попадает на передающую антенну 11 и далее через космическое пространство на приемное устройство корреспондента 5, расположенное на другом пункте управления. Поэтому характеристики лазерного излучателя в основном определяют выходные параметры излучения передатчика 6 в целом и облик передающей аппаратуры. Блок управления комплексом 2 выполнен в виде пульта с ЭВМ и предназначен для управления работой всего комплекса в целом, взаимодействия с отдельными устройствами и блоками, а также их контроль. Осуществляет группировку пакетов информации и синхронизацию работы комплекса.
-9
Оптимальным оптическим диапазоном для построения комплекса аппаратуры спутниковой открытой оптической связи является 0,9 мкм, поскольку в этой области разработаны одномодовые полупроводниковые источники лазерного излучения на основе GaAls-GaAs, а также высокоэффективные широкополосные фотоприемники на основе кремниевых и GaAs- лавинных, p-i-n фотодиодов. Полупроводниковые лазеры по сравнению с другими типами лазеров имеют ряд преимуществ. Они малогабаритные, имеют КПД более 30%, позволяют напрямую осуществлять модуляцию светового пучка током накачки в полосе до единиц ГГц, излучают плоскополяризованную волну в одной поперечной моде, имеют значительную долговечность. Оптический передатчик 6 одноканальный (один лазер). В состав оптического передатчика входит оптический модулятор 19, который преобразует световое излучение лазерного излучателя в осесимметричный квазипараллельный пучок, термостабилизирующая система теплового режима мощных лазерных излучателей 20, модуль управления и модуляции 16, включающий драйвер, обеспечивающий информационную модуляцию тока лазера, оператор тока смещения, система контроля и управления передатчиком 17, блок телеметрии 18 и вторичный источник питания 21, предназначенный для электропитания оптического передатчика, осуществляемого от бортовых спутниковых линий с частотой сети 50 Гц с параметрами согласно ГОСТ В23394-78. Управление параметрами оптического передатчика 6 осуществляется через ЭВМ. Согласование модулятора 19 с лазером осуществляется вводом на стыке лазера с драйвером согласующего контура, что позволило устойчиво повысить скорость передачи до 300 Мбит/с с ошибкой на бит 10.
В алгоритм блока управления 4 системой наведения положено: единая длина волны для поиска, захвата корреспондента и слежения за ним; использование информационного сигнала для слежения за корреспондентом в процессе исполнительных устройств для отработки вибрации в диапазоне от 3 до 1000 Гц. Отличительной особенностью этих устройств является наличие в них датчика угла, определяющего направление на корреспондента с точностью до 9 угл. с. Эти принципы позволяют минимизировать массу, габаритные размеры, энергопотребление и стоимость бортовой аппаратуры, а также повысить ее надежность. Для реализации этих принципов были установлены скоростные оптические дефлекторы («виброзеркала») со встроенными датчиками углов по двум осям. Зеркало дефлектора 13 установлено в пружинном подвесе, исключающем узлы трения и обеспечивающем тем самым большой срок службы в космических условиях. Лазерный маяк 10 определяет направление прихода светового сигнала от корреспондента в поле зрения от 10 до 20 угл. мин и в полосе приема до 1 кГц. В качестве оптической антенны 11 используется телескопическая зеркальная система. Главное зеркало - асферическое на облегченной ситалловой подложке. Для передачи через опорно-поворотное устройство 12 светового сигнала используется зеркальный световой шарнир.
Таким образом, отличительной особенностью заявляемого комплекса является применение единой антенны на прием и передачу информации. Что способствует минимизировать габаритные размеры и массу аппаратуры. Применение мощных одномодовых полупроводниковых лазерных излучателей мощностью 200 МВт, которые способны обеспечить скорость передачи до 1 Гбит/с.