面向空间信息网络的光和微波混合传输系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及空间信息网络的通信技术领,具体地涉及一种面向空间信息网络的光和微波混合传输系统。
【背景技术】
[0002]随着社会化信息程度的不断提高,一方面用户对高速多媒体业务需求不断增长,另一方面抗震救灾、军事斗争等对热点区域信息获取的时效性、方位性、灵活性的要求也越来越高。这就要求未来的卫星通信系统,能够实现不同轨道和相同轨道上的多种类型卫星系统和近地面飞行器系统,按照空间资源和位置优化配置,互通互联,构成动态的智能化体系即空间信息网,从而降低卫星网络对地面的依赖程度,以更加灵活和快捷的方式为全球用户提供服务。
[0003]空间信息网络以相对地面静止的同步轨道地球卫星GEO(Geosynchronous EarthOrbit)和平流层飞艇(或气球)为骨干网络,中低轨卫星ME0/LE0(Low Earth Orbit,Medium Earth Orbit)、有人/无人飞机、地面站作为接入层节点以及终端接入骨干网络,实现多卫星、多地面网关,以及空间站的互联互通,向上向下为各种空间任务提供更好的通信保障[10-15]。其中,通信卫星子网主要包含系统中各种通信卫星,这些卫星一般都处于LE0/ME0/GE0/HE0(High Earth Orbit,高地球轨道),如图1所示。该系统具有:1)全球无缝覆盖能力;2)组网机动灵活,网络拓扑动态变换;3)可适用于卫星通信链路距离远等特殊环境,从而有效解决边远地区通信问题等优点。在当前得到了学术界、工业界以及军方的高度关注和重视,是卫星通信研宄的热点之一。
[0004]由于其空间信道特性的限制,传统的基于微波的卫星通信系统有lGb/s以上的通信“速率瓶颈”。这些因素的存在,基于微波传输的星上电交换技术,难以适应未来高速、宽带通信的需求。基于激光的卫星通信被认为是解决上述问题的有效手段。相比与基于微波通信的卫星系统,基于光的卫星传输系统具有系统容量高、传输速率高、收发体积小、重量轻、功耗低、抗多径衰落能力强以及保密性高等优点。在实际网络系统中,要实现卫星间的通信,星上光交换是必要解决的关键问题之一。因此,探索新型的基于光传输系统的星上交换技术是空间信息网络发展的一个必然趋势。此外,虽然基于光载波的卫星通信技术在空间信息网络具有重要的应用价值,但是在网络中的卫星与地面通信过程中,其传输性能受大气条件影响较大,特别是在透过雾和云时,激光信号会被强烈地吸收,导致接收光强大大削弱,并使通信系统性能变差甚至可能通信失效。在晴朗的天气下,也会因为大气湍流为导致光强闪烁(Scintillat1n)而使通信质量降低。因此,综合考虑各种潜在因素,应该充分联合微波和光通信技术的优点,米用光与微波共存、混合的传输模式,来实现GEO之间、GEO和LE0、LE0之间、GEO到地、GEO到ΜΕ0、ΜΕ0之间等各种数据链路和中继链路全天候的畅通。
[0005]因此,为了满足未来用户对高实时性海量数据业务的需求,发展基于光电混合传输的空间信息网络,是当前卫星通信网络研宄的主流方向,且该方向是势在必行的。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是针对现有空间信息网络的通信技术中的缺陷,提供一种面向空间信息网络的光和微波混合传输系统。
[0007]本发明在外界环境较好的情况下,采用空间光的传输技术提高了系统传输速率,增加了系统容量;同时,在外界环境不好的情况,基于空间光的传输将极大受其环境影响而降低了系统互联性,为此本发明提出此状况下采用基于微波的传输机制。因此,本发明能够充分利用基于光和微波传输技术的优点,在保证空间系统网络全天候不间断通信的同时提高信息传输速率;同时该系统能够较好兼容传统的基于微波的传输系统,一定程序上提高了系统的可扩展性。
[0008]面向空间信息网络的光和微波混合传输系统,包括地面收发装置和卫星收发装置。地面收发装置通过空间链路与卫星收发装置建立联系和通信。其中,地面收发装置包括地上光与微波信号发射系统、地上光与微波信号接收系统、地上跟瞄子系统,地上跟瞄子系统分别通过微波判决信号和光发射天线姿态调整信号分别来控制地上光与微波信号的发射系统和地上光与微波信号接收系统;卫星收发装置包括卫星上光与微波信号的接收和交换转发系统、卫星上光与微波信号发射系统、卫星上跟瞄子系统,卫星上跟瞄子系统分别与卫星上光与微波信号的接收和交换转发系统、卫星上光与微波信号发射系统连接,用于控制卫星上信号的接收和发射。
[0009]地上光与微波信号发射系统包括光与微波的信号产生单元、第一光放大器、第一微波放大器、光发射天线、第一微波发射天线、光纤、微波同轴电缆线和微波信号控制单元;光与微波的信号产生单元包括光波信号源、微波信号源;具体的:光波信号源通过光纤连接到第一光放大器,第一光放大器的输出经过光纤连接至光发射天线,从而实现光信号的发射;微波信号源通过微波同轴电缆线连接至第一微波放大器,第一微波放大器的输出通过微波同轴电缆线连接至第一微波发射天线,从而实现微波信号的发射;其中微波信号控制单元,通过提取卫星收发装置上信号中的控制指令,从而实现微波或者光信号发射的切换;
[0010]地上光与微波信号接收系统包括第一微波信号的解调和处理单元、第一微波接收天线、第一光纤耦合模块、第二光放大器和第一光电检测器;具体的:地上跟瞄子系统中的信号到达第一光纤耦合模块,第一光纤耦合模块的输出通过光纤连接至第二光放大器,经过第二光放大器连接至第一光电探测器,从而实现光信号的接收;地上跟瞄子系统中的信号连接至第一微波接收天线,第一微波接收天线接收的信号通过微波电缆同轴线连接至第一微波信号的解调和处理单元,从而完成微波信号的解调;
[0011]优选地,光波信号源包括光波信号的产生模块和光波信号的调制模块;光波信号的产生模块中光波信号的产生是基于光纤激光器的方式或者空间光器件搭建的方式;光波信号的调制模块包括射频微波信号源、光调制器和光波源;光波源的输出端连接至由射频微波信号源驱动的光调制器,进而完成光波信号的发射。
[0012]优选地,光波信号的调制模块中的光调制器包括马赫曾德调制器或电致吸收调制器;
[0013]优选地,光与微波信号的接收系统中的光电探测器为PIN或者APD ;
[0014]优选地,第一微波信号的解调和处理单元包括微波信号的下转换和信号的基带处理;
[0015]卫星上光与微波信号的接收和转发交换系统包括卫星上光信号的接收系统、卫星上微波信号的接收系统;其中:卫星上光信号的接收系统包括光接收天线、第二光纤耦合模块、第三光放大器和第二光电探测器;光接收天线将接收的光信号通过第二光纤耦合模块耦合到光纤中,耦合后的信号通过第三光放大器达到第二光电探测器,从而实现信号的光电转换,第二光电探测器输出连接至光与微波信号交换转发处理系统;光与微波信号交换转发处理系统包括微波信号的处理单元、基带交换矩阵、光信号的调制单元、光域信号的交换矩阵、数据信号的重构和发射模块;微波信号的处理单元输出一路连接至基带交换矩阵,实现信号的电域交换;卫星上微波信号的接收系统包括第二微波的接收天线、微波电缆同轴线、第二微波信号的解调和处理单元;卫星上跟瞄子系统输出信号到达至第二微波接收天线,第二微波接收天线接收的信号通过微波电缆同轴线连接至第二微波信号的解调和处理单元,从而完成微波信号的解调;微波信号处理单元输出另一路信号和基带交换矩阵输出的信号进入到光信号的调制单元,在光信号的调制单元中完成信号的转发和光域内信号的交换;经光域信号的交换矩阵后输出后到达数据信号的重构和发射模块,从而完成光信号的交换,转发和发射;
[0016]优选地,光信号接收系统中第三光电探测器,为PIN或者APD ;
[0017]优选地,光与微波信号交换转发处理系统中的光信号的调制单元为马赫曾德调制器或电致吸收调制器;
[0018]优选地,光与微波信号交换转发处理系统中的光域信号的交换矩阵为基于无源器件构成的光分插复用器或基于有源器件的光分插复用器件;
[0019]优选地,卫星上微波信号的接收系统中第二微波信号的解调和处理单元包括微波信号的下转换和信号的基带处理;
[0020]卫星上光与微波信号发射系统包括基带信号源、光/微波信号调制模块、信号放大器和光/微波发射天线;其中:基带