TDRSS激光空间链路光功率设计

从光功率的角度，分析了卫星间长距离和出射光束发散角产生的空间传输损耗，当传输速率增加、误码率上升时，接收机灵敏度下降；讨论了不同卫星数目时传输损耗与激光束发散角的关系，在考虑其他光功率开销后，得出了发射光功率，发散角和接收灵敏度相互制约关系。
关 键 词 光功率; 空间光通信; 跟踪与数据中继卫星系统; 发散角; 接收灵敏度

为低轨道飞行体(LEO)提供跟踪与数据中继服务的TDRSS卫星运行在静止卫星轨道上，通信的信道为真空。在真空中，不存在介质的吸收、反射与散射的损耗，也没有介质材料色散与非线性效应的限制，由于光波长比微波低几个数量级，光束发散带来的损耗也相对较低，因此，使用激光通信链路是最佳的选择。空间激光通信具有设备体积小、重量轻、功耗低的特点，光波在真空中传播时，没有色散对传输速率的限制，也没有非线性效应对光功率密度的限制，而光功率损耗大，无法提供中继，所以对光功率容限提出了较高的要求。星间激光链路是一个损耗限制的光通信系统，其中光功率大小是一个非常重要的参数，本文基于光功率，分析TDRSS中发射光功率、光束发散角和接收灵敏度对系统的限制因素。

理论基础
从发射机出来的激光光束，以一定的发散角射向接收卫星，经过长距离传输后，光斑尺寸显著扩大，降低了接收机上的光功率密度。在系统传输码率和误码率的要求下，接收机有一最小可接收光功率，为建立可靠的通信链路，最终到达探测器的接收功率必须大于接收机灵敏度。
1.1 自由空间传输损耗
自由空间的传输损耗是由传输距离和发散角造成的，首先应确定传输距离。TDRSS星工作在静止卫星轨道上，理论上三颗这样的卫星就可以覆盖地球上空除极地外的大部分区域，但是在覆盖区域的交界处，由于对卫星的高度角很小，有效接收面积小，能量密度较低，对接收机灵敏度的要求较高，所以实际系统应用的卫星数多于三颗，如六或九颗。根据卫星轨道高度、地球半径和卫星数可以求出准确的星间距离0R，即通信的传输距离。