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德国宇航中心“光空间红外下行链路系统”(OSIRIS)项目
发布者:于思源  发布时间2018-09-22 浏览次数:20

近年来纳米卫星和微型卫星等小型低轨道(LEO)航天器应用日趋广泛。在LEO卫星的任务执行中,对地观测和遥感等任务占比很高,而随之而来的则是系统对数据传输速率需求的不断增加。传统射频(RF)系统的数据速率在应对这些任务时面临较大瓶颈。从小型LEO航天器到地球的直接光学下行链路有可能提供更优的解决方案。


、OSIRIS项目概述

德国宇航中心(DLR)通信与导航研究所十多年来一直致力于开发和演示高度紧凑和轻便的实验终端,以实现小型LEO航天器的光通信应用。与同类无线电通信系统相比,它们体积更小,重量更轻,功耗更低。DLR所推动实施的光空间红外下行链路系统(OSIRIS)项目,旨在为微小型LEO航天器(立方体卫星-100公斤卫星)提供高性能的光通信终端。该项目涵盖的技术开发与验证范围广泛,从科学实验发展到相关技术的示范。在朝着实现工业应用迈进的过程中,OSIRIS项目还参与了空间数据系统咨询委员会(CCSDS)相关框架内的标准化活动,包括为下行链路数据速率、光学上行链路信道、调制信标、下行链路波长及数据格式等方面的标准提供现实参考。

OSIRIS项目所规划的发展路线主要可分为两个部分,即负责进行技术验证任务的OSIRISv1和OSIRISv2终端,以及进行产业化开发的立方体卫星(CubeSat)OSIRIS4和OSIRISv3终端。其中OSIRISv1和OSIRISv2已分别于2017年和2016年发射升空,OSIRIS4立方体卫星和OSIRISv3则计划于2018年和2019年发射。根据目前的计划,DLR将在2019年之前开发、认证和发布六个OSIRIS模型。


图1 OSIRIS项目发展路线图


二、OSIRIS发展现状与项目构成

分别搭载于小型卫星FLP(Flying Laptop)和BiROS卫星的OSIRISv1和OSIRISv2终端,已经在轨运作。这两个产品的成功运作,验证了OSIRIS无需额外的瞄准设备,可基于卫星指向实现瞄准的技术。目前FLP与BiROS卫星都处于良好运作状态,它们也与DLR和欧空局(ESA)的光学地面站进行了首次测试。OSIRIS激光源和跟踪传感器的遥测有着良好表现,对于全面的通信链路演示验证仍在进行中。


(一)在轨测试中的OSIRISv1和OSIRISv2终端

FLP卫星重约120公斤,在2017年7月14日发射至600公里轨道运行。FLP在发射与初期在轨阶段(LEOP)之后即进入调试阶段。FLP所搭载的OSIRISv1负载重约1.3公斤,在整个负载运作阶段表现良好。它通过卫星的开环瞄准,为下行链路提供高达200 Mbps的数据速率。


图2 分别搭载于FLP卫星和BiROS卫星的OSIRIS负载

搭载于BiROS卫星的OSIRISv2负载重1.65公斤,同样也在调试阶段中表现良好。而为了进一步提高数据速率,OSIRISv2的发送偏差已降至200μrad。这使得光学地面站(OGS)能接收到更多能量,并通过BiROS卫星的闭环瞄准将数据速率提高到1Gbps。为了解决窄光束发散方面的需求,BiROS配备了跟踪传感器。跟踪传感器允许从OGS接收信标信号,该信标信号将OSIRISv2发送的波束引导到相关目标。跟踪传感器信号是卫星姿态控制系统的一项额外信息输入,可有效改善指向OGS的卫星姿态。


图3 可方便运输的光学地面站(TOGS)


(二)OSIRIS4CubeSat与研发中的OSIRISv3

OSIRISv1与OSIRISv2已经作为OSIRIS项目的技术概念提供了演示验证,这些技术概念的提升一方面依赖于商用组件的发展,另一方面也依靠自身的不断优化,OSIRIS终端小型化版本的开发,正是综合商用组件与新太空任务需求而提出的研发方向。针对CubeSat平台的小型化OSIRIS终端——OSIRIS4CubeSat,大小仅为90毫米×95毫米×35毫米,重量小于300克,功耗小于8w,即使在1U的立方体卫星中也可以灵活安装部署。为了在非常紧凑的体积与功耗中实现高数据速率,OSIRIS4CubeSat将平台瞄准与精度瞄准机制相结合,提供的下行链路数据速率可达100 Mbit/s。

图4 部署于1U立方体卫星中的OSIRIS4CubeSat概念图

与追求小型化的OSIRIS4CubeSat相比,目前正在研发中的第三代OSIRIS终端——OSIRISv3,则聚焦于更高的数据速率。OSIRISv3终端设计寿命为5年,设计重量小于5公斤,拟增加存储(>1TB)和计算机系统,可根据光学上行链路的自动重复请求进行编码优化。OSIRISv3也采用经过认证的商用组件,模块化的系统设计概念将使其对不同的任务和航天器都有较强的适应性。OSIRISv3将安装粗瞄组件(CPA),计划使ISS和地面站之间的数据速率达到10 Gbps。OSIRISv3计划于2019年第三季度部署在由空客公司开发的Bartolomeo平台。Bartolomeo是一个外部有效载荷平台,将安装在国际空间站(ISS)的Columbus模块上。其科研测量数据还将用于传输方法的优化,确保稳定的数据传输。


图5 空客公司Bartolomeo平台上的OSIRISv3

OSIRISv3针对的是小型LEO航天器的最高数据速率,旨在将数据速率提高到10 Gbps甚至更高的100 Gbps。但与此同时,在向OSIRIS上行输入数据时出现了新的瓶颈。为了应对比下行链路数据速率低得多的输入数据速率,OSIRISv3配备了一个大容量存储器,用于在下行链路运作前的任务数据缓冲。除了此之外,OSIRIS还将执行CCSDS兼容性信道编码,以保护光学上行链路信道中的数据传输。


、未来展望

DLR未来可能还将借助OSIRIS项目,进行光学地球同步轨道(GEO)馈线链路的13.16 Tbps传输实验研究,以及利用立方体卫星上的终端进行量子密钥分发(QKD)研究测试。13.16 Tbps馈线链路传输实验研究,将首先通过模拟GEO相关参数的地面进行,计划从相距1045公里的山谷与山顶之间实施测试,研究其自适应光学系统、单模光纤耦合以及接收器的后期处理等能力。在QKD开发研究中,项目中的小型量子随机数发生器(QRNG)将创建一系列数字,可用于设置光的量子态。通过搭载于立方体卫星的OSIRIS系统将光脉冲下传到Oberpfaffenhofen光学地面站中。

图6 馈线传输技术验证中的卫星终端和地面站终端

同时,DLR也将推动OGS的发展研究,将OSIRIS项目涉及到的有着4.5米翻盖圆顶的Oberpfaffenhofen 光学地面站(OGS-OP),向具备光学自适应能力的80 cm口径望远镜拓展。


图7 Oberpfaffenhofen 光学地面站(OGS-OP)

事实上,OSIRIS项目的发展路线图从一开始就对相关科学任务和研究进行了规划,所开发的载荷在未来也将继续向科研实验和在轨验证提供接口,为该领域的标准化工作与进一步的发展打下基础。



转自天地一体化网络微信公众号