地面到太空光通信的大气预补偿技术

更复杂的方法涉及在预期的上行链路位置精确创建人工激光导星，从而能够通过通信信号将要穿越的相同大气体积来测量和校正湍流。这种技术通过消除非等晕误差来显著提高校正质量。然而，激光导星引入了自身的技术复杂性，即所谓的倾斜-倾倜不确定性问题。由于激光导星向上投射，其光线几乎沿着相同路径向下返回，最低阶大气模式（倾斜和倾倜）在往返传播中被有效抵消，使波前传感器无法感知这些重要的大气扰动。

克服这一限制需要采用混合方法：使用卫星的下行链路信号测量倾斜-倾倜模式，同时通过激光导星捕获高阶湍流模式。这种组合提供了全面的大气校正，尽管下行链路和上行链路之间的超前指向角仍然影响可实现的倾斜-倾倜校正质量。此外，为光通信设计的自适应光学系统必须应对比天文学系统更具挑战性的操作条件。虽然天文台精心选址于大气条件优异的地点，但光学地面站可能分布在经历更强湍流的不同地理位置。另外，昼夜连续运行会产生变化的大气条件，白天地面加热会在近地表产生特别强烈的湍流层。

自适应光学预补偿的理论基础源于1980年代早期的开创性工作。David Fried和Glenn Taylor首次考虑了非等晕性和闪烁对激光通信系统的影响，引入了互易性原理，即自适应光学可以预先扭曲出射波前，以精确抵消将要遇到的大气扰动。他们的分析确定了两个超出传统考虑范围的关键性能因素：由传感和校正路径之间的角度分离引起的非等晕误差，以及由大气闪烁引起的强度波动所代表的随机光阑项。

在此基础上，Robert Tyson开发了全面的数学框架，用于理解预补偿各种大气模式如何影响地面到太空光链路中的闪烁、信号衰落和浪涌。闪烁光束的对数振幅方差可以通过积分空间协方差函数与表示自适应光学补偿的滤波函数来计算。Tyson的分析揭示，闪烁降低遵循这样的关系：补偿后的方差与未补偿方差除以N成正比，N是完全补偿的Zernike模式数量。

然而，由于非等晕效应和有限系统带宽，实际系统无法实现完美的模式补偿。有效校正的特征是Neff = Siso × Sservo × N，其中Siso代表等晕误差，Sservo考虑了与Greenwood频率相关的伺服带宽限制，Greenwood频率表征大气湍流的时间动态特性。Tyson对信号衰落和浪涌的概率分析表明，对于地球静止卫星链路，实施具有50多个驱动器的地面自适应光学系统可以将信号衰落减少约三倍，假设地面和空间段均采用0.5米孔径，工作在1550纳米波长。

当前的开发工作集中在实现更高的技术成熟度水平和解决剩余的技术挑战。ALASCA项目旨在将欧洲航天局光学地面站转变为具有全天候运行能力的全功能光学馈线链路测试设施。ALASCA基于现有的CaNaPy激光导星系统，该系统配备超过70瓦功率的589纳米高功率激光器，将实施专门为地面-卫星光通信量身定制的硬件和软件升级。更高的激光功率产生更亮的人工导星，增强了白天和夜间操作期间的自适应光学性能。

激光导星系统的白天操作以前是光通信应用的一个显著障碍。然而，最近的突破表明，通过采用超窄带磁光滤波器，即使在白天也可以实现等效的回波通量。这些专用滤波器提供了卓越的背景抑制能力，消光比达到100,000:1，同时保持97%的透过率，即使在明亮的白天天空背景下也能实现有效的波前传感。这一进展消除了实现连续全天候光通信能力的一个关键障碍。

ONERA的FEELINGS开发和TNO的TOmCAT系统代表了推进太比特每秒光学地面终端技术的平行努力。VERTIGO实验在极低的2度仰角下，成功演示了在53公里路径上超过1太比特每秒的光传输。该成就采用了双偏振84 GBd 64QAM信令和全自适应光学校正，展示了相比未校正传输28.1分贝的接收功率改善。实验的关键发现是，实现太比特数据速率需要全波前校正而不仅仅是倾斜-倾倜补偿，因为只有通过全面的自适应光学预补偿才能满足前向纠错阈值。

将光通信扩展到深空引入了近地卫星所没有的额外复杂性。国际电信联盟将深空定义为距离地球200万公里以外的区域，在那里通信链路面临根本不同的挑战。从地面终端观察时，深空航天器表现出显著更高的横向速度，导致超前指向角大得多。例如，火星通信链路可能需要高达387微弧度的超前指向角，而近地航天器的典型超前指向角为20至50微弧度。角度分离的显著增加严重加剧了非等晕效应，需要激光导星能够感测包括倾斜-倾倜在内的所有大气模式，但鉴于激光导星系统固有的倾斜-倾倜不确定性问题，这一能力尚未完全实现。

深空链路还面临与日-地-探测器和日-探测器-地球角度几何相关的独特操作约束。在两个角度都很小的上合期间，地面终端可能需要在与太阳角度分离较小的情况下长时间运行。实现少于1至4周的链路中断需要在日-地-探测器角低至3至5度和日-探测器-地球角为2至4度的条件下运行。这需要空间和地面终端在相当长的时间内指向太阳，产生必须通过复杂的滤波和信号处理技术来管理的挑战性背景噪声条件。

针对深空预补偿提出了新颖的方法，包括用于地面到月球通信的分布式参考光站，考虑变化的往返传播时间。涉及编队飞行卫星星座的类似概念可能使一颗卫星能够使用另一颗卫星的下行链路信号作为上行链路预补偿的参考源，尽管基于超前指向角的所需接近关系需要仔细分析。

自适应光学预补偿对上行链路通信的性能优势通过理论分析和实验演示都得到了充分证实。然而，关于特定应用中自适应光学的必要性和成本效益的问题仍然存在。自适应光学系统的开发和实施涉及相当大的复杂性和费用，导致对不同任务需求的适当技术选择产生合理的疑问。

对于位于海拔较高、大气条件本质上更好的地面站，增加发射功率和分组级编码的组合可能提供足够的链路余量，而无需自适应光学校正。这代表了一个设计权衡：自适应光学的性能优势必须与系统复杂性、成本和操作要求进行权衡。在某些情况下，简单地将地面终端重新定位到具有更优大气条件的高海拔站点可能比实施复杂的自适应光学技术更实际。

尽管如此，几个因素支持继续开发自适应光学预补偿系统。对于由于基础设施或操作限制而必须在低海拔位置运行的地面终端，自适应光学可能是建立可靠高数据速率链路的唯一可行途径。此外，随着激光导星技术的成熟，通过开发更经济的激光系统和简化的操作程序变得更容易获得，成本和复杂性障碍将会降低。集成需要最少监督的机器人自适应光学系统可以进一步降低操作复杂性，促进预补偿技术在不同地面站部署中的更广泛采用。

未来的发展路径涉及继续研究解决剩余的技术挑战，特别是激光导星的倾斜-倾倜不确定性问题，同时通过技术创新努力降低系统复杂性和成本。建立专门为光通信应用量身定制的全面设计指南和最佳实践将有助于简化未来的系统实施。随着自适应光学技术继续成熟并在逐渐提高的技术成熟度水平上展示操作能力，将越来越多地支持满足未来空间和地面基础设施需求所必需的高带宽、可靠的地面到太空光通信网络。

[1] N. Martinez, "Atmospheric Pre-Compensation of Ground-to-Space Communications with Adaptive Optics: Past, Present and Future—A Field Review," Photonics, vol. 10, no. 7, p. 858, Jul. 2023, doi: 10.3390/photonics10070858.