空間數據與信息傳輸系統深空光通信物理層2023-11-27發布2024-03-01實施國家標準化管理委員會GB/T43372—2023前言 I Ⅱ 2規范性引用文件 3術語和定義 4縮略語 5.1體系結構 5.2功能 6下行信號特性 36.1信息傳輸說明 6.2中心頻率 6.3中心頻率容差 36.4激光線寬 6.5帶內和帶外輻射 6.6偏振 6.7調制 6.8時隙寬度 6.9時間抖動 6.10脈沖重復率 7上行信標及可選的數據傳送信號特性 57.1信號傳輸說明 57.2中心頻率 7.3中心頻率容差 57.4激光線寬 7.5帶內和帶外輻射 57.6調制 7.7時間抖動 8管理參數 參考文獻 I文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規則》的規定起草。請注意本文件的某些內容可能涉及專利。本文件的發布機構不承擔識別專利的責任。本文件由全國宇航技術及其應用標準化技術委員會(SAC/TC425)提出并歸口。本文件起草單位：西安空間無線電技術研究所、北京空間飛行器總體設計部、中國航天標準化研究所、深圳市恒天偉焱科技股份有限公司、廈門至誠標準化服務有限公司。Ⅱ隨著激光通信技術在深空探測領域的發展，其應用場景包括深空探測器直接對地通信、深空探測器與近地衛星中繼通信和深空探測器與著陸器通信等。本文件在考慮深空探測國際合作的大背景下，僅限于深空對地應用場景，可以充分利用各國光學地面站提升深空激光通信的可靠性，未來可進行擴展。1空間數據與信息傳輸系統深空光通信物理層本文件描述了空間數據與信息傳輸領域深空任務背景下空間對地光通信物理層的功能、下行信號特性、上行信標及可選的數據傳送信號特性以及管理參數。本文件適用于深空激光通信領域通過大氣信道傳輸的空對地和地對空場景的高光子效率鏈路，其他應用參考使用。2規范性引用文件下列文件中的內容通過文中的規范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T42041航天術語空間數據與信息傳輸3術語和定義GB/T42041界定的以及下列術語和定義適用于本文件。中心頻率centerfrequency激光光束所包含的頻率范圍中的中心對應頻率。激光光束的光譜譜線寬度。偏振消光比polarizationextinctionratio沿偏振主態方向分解的兩個正交偏振分量之間光功率的比值。脈沖重復率pulserepetitionrate每秒發射的光脈沖數量，或者定義為脈沖重復周期的倒數。右旋圓偏振right-handcircularpolarization相對于傳輸方向，其電場矢量旋向隨時間變化右旋的圓偏振光。光束光譜中在已定義的光譜寬度以外的光能量。24縮略語下列縮略語適用于本文件。AOS:高級在軌系統(AdvancedOrbitingSystems)OOK:開關鍵控(On-OffKeying)OSI:開放式系統互聯(OpenSystemsInterconnection)PPM:脈沖相位調制(PulsePositionModulation)PRR:脈沖重復率(PulseRepetitionRate)RHCP:右旋圓偏振(Right-HandCircularPolarization)RMS:均方根(RootMeanSquare)TC:遙控(Telecommand)USLP:統一空間數據鏈路協議(UnifiedSpaceDataLinkProtocol)5總則5.1體系結構圖1描述了本文件與OSI分層的關系。本文件處于OSI分層的物理層，也是空間鏈路分層的物理層。OSI分層網絡及以上層數據鏈路層物理層空問鏈路分層網絡及以上層數據鏈路協議子層同步及信道編碼子層物理層空間鏈路協議遙測(TM)/AOS/USLP深空光通信編碼與同步深空光通信物理層圖1本文件與OSI分層的關系深空光通信物理層在發送端將深空光通信編碼與同步子層產生的二進制數據流進行電光調制，將電信號轉換為光信號，實現深空對地光信號傳輸。在接收端，向編碼與同步子層提供接收到的光電轉換后的電信號，實現地對深空光信號傳輸。深空光通信編碼與同步子層為傳送幀在深空高光子效率鏈路上的傳輸，提供同步與信道編碼功能，包括信道編碼、同步和傳送幀有效性確認，詳見GB/T43423—2023。5.2功能深空對地光通信系統的示意圖如圖2所示。在整個星地光通信建鏈過程中，約定激光終端A為地面站終端，激光終端B為星上(航天器)終端。星上終端向地面站終端發送下行遙測信號；地面站終端3向星上終端發送上行信標及可選的傳送幀。深空對地光通信雙向建鏈流程如下：a)激光終端A向激光終端B所在的預置位置，發射包含可選的AOS/USLP/TC等數據的信標光束；注：AOS數據格式見GB/T39350—2020,USLP數據格式見GB/T42040—2022,TC數據格式見GB/T39350—2020。b)激光終端B在捕獲到信標光束后，返回信號光束，同時對接收到的信標中的AOS/USLP/TC數據進行接收探測和處理；c)激光終端A在收到星上終端光束后，雙方開展光束跟蹤，以建立穩定的激光鏈路；d)建立穩定的激光鏈路后，下行遙測數據從激光終端B向激光終端A傳輸。發射機信標和(可選擇)數據鏈路協議傳送幀發射機(地面站)激光終端A接收機接收機數據圖2深空對地光通信系統示意圖星上激光終端B向地面站激光終端A發射的下行光信號的物理特性見第6章，以及地面站激光終端向星上激光終端發射的上行信標和可選遙控信號的物理特性見第7章。6下行信號特性6.1信號傳輸說明在星上激光終端B的發射端，光物理層接收來自于編碼和同步子層的二進制數據流，對光信號進光信號輸出。在星上激光終端B的接收端，光物理層接收地面站終端發送的信標，實現光信號的捕獲和跟蹤。當信標中附加調制信息時，編碼和同步子層接收光物理層光電轉換后的信號，實現上行信息的同步處理。中心頻率應為(193.1+n×0.1)THz,其中n取值范圍為一18～28的整數。注：這些中心頻率是由ITU-TG694.1中帶寬為100GHz的波長間隔定義。頻率范圍為193.1THz～195.9THz,對應的波長范圍為1530.33nm～1567.13nm。6.3中心頻率容差發射機中心頻率應精確到要求的中心頻率±10GHz以內。6.4激光線寬調制的激光線寬在100ms積分時間內，應小于6.25GHz(峰值1/e2處全寬)。4GB/T43372—20236.5帶內和帶外輻射發射信號中心頻率±10GHz帶寬內能量應大于全部輸出能量的95%。6.6偏振6.6.1偏振類型可選偏振光。如系統有偏振要求，則激光光束以RHCP光出射。6.6.2偏振消光比如系統有偏振要求，則偏振消光比應大于10dB。6.7調制接收編碼和同步子層的二進制數據，使用OOK調制每個時隙內發射光的強度。注：由于OOK調制中，每個時隙為通或斷的狀態，因此編碼和同步子層上的PPM會引起對物理層的變化。6.8時隙寬度或512ns。6.9時間抖動脈沖時間抖動的RMS應小于時隙的10%。6.10脈沖重復率激光器應支持與通信鏈路使用的時隙寬度和PPM階數相對應的一定范圍的PRRs。以16PPM為例，如圖3所示。16PPM的時隙寬度為1ns,發送一次脈沖，一共包含20個時隙。其中信息時隙16個，不同的脈沖位置代表不同的編碼信息，保護時隙4個，置于信息脈沖的尾部。0xF代表本次發送脈沖為16進制0xF,脈沖位置為第15個時隙，0x0代表本次發送脈沖為16進制0x0,脈沖位置為第0個時隙。注：16PPM的時隙寬度為1ns,脈沖和脈沖之間插入4個保護時隙，因此脈沖中心到脈沖中心的時間間隔為5ns~35ns,對應28.57MHz～200MHz的PRR范圍。圖316PPM示意圖57上行信標及可選的數據傳送信號特性7.1信號傳輸說明在地面站激光終端A的發射端，光物理層接收來自于編碼和同步子層的二進制數據流，對光信號表無光信號輸出。為了實現激光鏈路的捕獲和跟蹤，地面站應發射上行信標。在有需要通過激光鏈路發送上行信號時，可對信標加載調制數據。在地面站激光終端A的接收端，光物理層接收星上終端發送的光信號，實現光電轉換。編碼和同步子層接收光物理層光電轉換后的信號，實現下行信息的同步處理。中心頻率應調諧到280.18THz、281.72THz或291.06THz三個頻率的任意一個頻點±26GHz范圍內的頻率上。注：這些中心頻率分別對應于1070nm、1064.15nm和1030nm的真空波長。7.3中心頻率容差實際發射光信號中心頻率應在標稱中心頻率±26.5GHz的允差范圍內。7.4激光線寬在100ms時間內，激光線寬應小于53GHz(峰值1/e2處全寬)。7.5帶內和帶外輻射發射信號中心頻率±50GHz帶寬內能量應大于全部輸出能量的95%。7.6.1無數據傳輸無數據傳輸時，信標應被調制為3.8145kHz方波。方波的周期為262144ns,即脈沖和非脈沖時隙持續時間均為131072ns。7.6.2有數據傳輸使用數據傳輸時，接收編碼和同步子層接收的二進制數據，控制每個時隙內發射光的強度。注1:OOK調制中每個時隙為通或斷的狀態，編碼和同步子層上的PPM會引起對物理層的變化。注2:數據傳輸無偏振要求。時隙寬度應為65536ns。注：本文件與使用更窄脈沖時隙寬度的系統兼容，通過對時隙寬度進行整數倍縮減，擴展至更高速率。7.7時間抖動脈沖時間抖動RMS應小于時隙寬度的10%。68管理參數深空光通信物理層管理參數如表1所示，主要包括下行信號中心頻率、信號時隙寬度、上行信標中心頻率等。表1信號管理參數控制參數允許的值備注下行信號中心頻率參數n—18～28見6.2信號偏振(0,1)使用“1”或未使用“0”見6.6信號時隙寬度/ns0.125、0.25、0.5、1、2、4、8、16、32、64、128、256、512見6.8上行信標