GBT 43372-2023 空間數(shù)據(jù)與信息傳輸系統(tǒng) 深空光通信物理層

空間數(shù)據(jù)與信息傳輸系統(tǒng)深空光通信物理層2023-11-27發(fā)布2024-03-01實(shí)施國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)GB/T43372—2023前言 I Ⅱ 2規(guī)范性引用文件 3術(shù)語和定義 4縮略語 5.1體系結(jié)構(gòu) 5.2功能 6下行信號(hào)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(nèi)和帶外輻射 6.6偏振 6.7調(diào)制 6.8時(shí)隙寬度 6.9時(shí)間抖動(dòng) 6.10脈沖重復(fù)率 7上行信標(biāo)及可選的數(shù)據(jù)傳送信號(hào)特性 57.1信號(hào)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(nèi)和帶外輻射 57.6調(diào)制 7.7時(shí)間抖動(dòng) 8管理參數(shù) 參考文獻(xiàn) I文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請(qǐng)注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識(shí)別專利的責(zé)任。本文件由全國宇航技術(shù)及其應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC425)提出并歸口。本文件起草單位：西安空間無線電技術(shù)研究所、北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部、中國航天標(biāo)準(zhǔn)化研究所、深圳市恒天偉焱科技股份有限公司、廈門至誠標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)有限公司。Ⅱ隨著激光通信技術(shù)在深空探測領(lǐng)域的發(fā)展，其應(yīng)用場景包括深空探測器直接對(duì)地通信、深空探測器與近地衛(wèi)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(duì)地應(yīng)用場景，可以充分利用各國光學(xué)地面站提升深空激光通信的可靠性，未來可進(jìn)行擴(kuò)展。1空間數(shù)據(jù)與信息傳輸系統(tǒng)深空光通信物理層本文件描述了空間數(shù)據(jù)與信息傳輸領(lǐng)域深空任務(wù)背景下空間對(duì)地光通信物理層的功能、下行信號(hào)特性、上行信標(biāo)及可選的數(shù)據(jù)傳送信號(hào)特性以及管理參數(shù)。本文件適用于深空激光通信領(lǐng)域通過大氣信道傳輸?shù)目諏?duì)地和地對(duì)空?qǐng)鼍暗母吖庾有舒溌罚渌麘?yīng)用參考使用。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)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(duì)應(yīng)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(shù)語空間數(shù)據(jù)與信息傳輸3術(shù)語和定義GB/T42041界定的以及下列術(shù)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(duì)應(yīng)頻率。激光光束的光譜譜線寬度。偏振消光比polarizationextinctionratio沿偏振主態(tài)方向分解的兩個(gè)正交偏振分量之間光功率的比值。脈沖重復(fù)率pulserepetitionrate每秒發(fā)射的光脈沖數(shù)量，或者定義為脈沖重復(fù)周期的倒數(shù)。右旋圓偏振right-handcircularpolarization相對(duì)于傳輸方向，其電場矢量旋向隨時(shí)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(jí)在軌系統(tǒng)(AdvancedOrbitingSystems)OOK:開關(guān)鍵控(On-OffKeying)OSI:開放式系統(tǒng)互聯(lián)(OpenSystemsInterconnection)PPM:脈沖相位調(diào)制(PulsePositionModulation)PRR:脈沖重復(fù)率(PulseRepetitionRate)RHCP:右旋圓偏振(Right-HandCircularPolarization)RMS:均方根(RootMeanSquare)TC:遙控(Telecommand)USLP:統(tǒng)一空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議(UnifiedSpaceDataLinkProtocol)5總則5.1體系結(jié)構(gòu)圖1描述了本文件與OSI分層的關(guān)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(wǎng)絡(luò)及以上層數(shù)據(jù)鏈路層物理層空問鏈路分層網(wǎng)絡(luò)及以上層數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議子層同步及信道編碼子層物理層空間鏈路協(xié)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(guān)系深空光通信物理層在發(fā)送端將深空光通信編碼與同步子層產(chǎn)生的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流進(jìn)行電光調(diào)制，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)深空對(duì)地光信號(hào)傳輸。在接收端，向編碼與同步子層提供接收到的光電轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)地對(duì)深空光信號(hào)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(rèn)，詳見GB/T43423—2023。5.2功能深空對(duì)地光通信系統(tǒng)的示意圖如圖2所示。在整個(gè)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(fā)送下行遙測信號(hào)；地面站終端3向星上終端發(fā)送上行信標(biāo)及可選的傳送幀。深空對(duì)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(yù)置位置，發(fā)射包含可選的AOS/USLP/TC等數(shù)據(jù)的信標(biāo)光束；注：AOS數(shù)據(jù)格式見GB/T39350—2020,USLP數(shù)據(jù)格式見GB/T42040—2022,TC數(shù)據(jù)格式見GB/T39350—2020。b)激光終端B在捕獲到信標(biāo)光束后，返回信號(hào)光束，同時(shí)對(duì)接收到的信標(biāo)中的AOS/USLP/TC數(shù)據(jù)進(jìn)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(wěn)定的激光鏈路；d)建立穩(wěn)定的激光鏈路后，下行遙測數(shù)據(jù)從激光終端B向激光終端A傳輸。發(fā)射機(jī)信標(biāo)和(可選擇)數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議傳送幀發(fā)射機(jī)(地面站)激光終端A接收機(jī)接收機(jī)數(shù)據(jù)圖2深空對(duì)地光通信系統(tǒng)示意圖星上激光終端B向地面站激光終端A發(fā)射的下行光信號(hào)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(fā)射的上行信標(biāo)和可選遙控信號(hào)的物理特性見第7章。6下行信號(hào)特性6.1信號(hào)傳輸說明在星上激光終端B的發(fā)射端，光物理層接收來自于編碼和同步子層的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流，對(duì)光信號(hào)進(jìn)光信號(hào)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(fā)送的信標(biāo)，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的捕獲和跟蹤。當(dāng)信標(biāo)中附加調(diào)制信息時(shí)，編碼和同步子層接收光物理層光電轉(zhuǎn)換后的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)上行信息的同步處理。中心頻率應(yīng)為(193.1+n×0.1)THz,其中n取值范圍為一18～28的整數(shù)。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(duì)應(yīng)的波長范圍為1530.33nm～1567.13nm。6.3中心頻率容差發(fā)射機(jī)中心頻率應(yīng)精確到要求的中心頻率±10GHz以內(nèi)。6.4激光線寬調(diào)制的激光線寬在100ms積分時(shí)間內(nèi)，應(yīng)小于6.25GHz(峰值1/e2處全寬)。4GB/T43372—20236.5帶內(nèi)和帶外輻射發(fā)射信號(hào)中心頻率±10GHz帶寬內(nèi)能量應(yīng)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(tǒng)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(tǒng)有偏振要求，則偏振消光比應(yīng)大于10dB。6.7調(diào)制接收編碼和同步子層的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，使用OOK調(diào)制每個(gè)時(shí)隙內(nèi)發(fā)射光的強(qiáng)度。注：由于OOK調(diào)制中，每個(gè)時(shí)隙為通或斷的狀態(tài)，因此編碼和同步子層上的PPM會(huì)引起對(duì)物理層的變化。6.8時(shí)隙寬度或512ns。6.9時(shí)間抖動(dòng)脈沖時(shí)間抖動(dòng)的RMS應(yīng)小于時(shí)隙的10%。6.10脈沖重復(fù)率激光器應(yīng)支持與通信鏈路使用的時(shí)隙寬度和PPM階數(shù)相對(duì)應(yīng)的一定范圍的PRRs。以16PPM為例，如圖3所示。16PPM的時(shí)隙寬度為1ns,發(fā)送一次脈沖，一共包含20個(gè)時(shí)隙。其中信息時(shí)隙16個(gè)，不同的脈沖位置代表不同的編碼信息，保護(hù)時(shí)隙4個(gè)，置于信息脈沖的尾部。0xF代表本次發(fā)送脈沖為16進(jìn)制0xF,脈沖位置為第15個(gè)時(shí)隙，0x0代表本次發(fā)送脈沖為16進(jìn)制0x0,脈沖位置為第0個(gè)時(shí)隙。注：16PPM的時(shí)隙寬度為1ns,脈沖和脈沖之間插入4個(gè)保護(hù)時(shí)隙，因此脈沖中心到脈沖中心的時(shí)間間隔為5ns~35ns,對(duì)應(yīng)28.57MHz～200MHz的PRR范圍。圖316PPM示意圖57上行信標(biāo)及可選的數(shù)據(jù)傳送信號(hào)特性7.1信號(hào)傳輸說明在地面站激光終端A的發(fā)射端，光物理層接收來自于編碼和同步子層的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流，對(duì)光信號(hào)表無光信號(hào)輸出。為了實(shí)現(xiàn)激光鏈路的捕獲和跟蹤，地面站應(yīng)發(fā)射上行信標(biāo)。在有需要通過激光鏈路發(fā)送上行信號(hào)時(shí)，可對(duì)信標(biāo)加載調(diào)制數(shù)據(jù)。在地面站激光終端A的接收端，光物理層接收星上終端發(fā)送的光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。編碼和同步子層接收光物理層光電轉(zhuǎn)換后的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)下行信息的同步處理。中心頻率應(yīng)調(diào)諧到280.18THz、281.72THz或291.06THz三個(gè)頻率的任意一個(gè)頻點(diǎn)±26GHz范圍內(nèi)的頻率上。注：這些中心頻率分別對(duì)應(yīng)于1070nm、1064.15nm和1030nm的真空波長。7.3中心頻率容差實(shí)際發(fā)射光信號(hào)中心頻率應(yīng)在標(biāo)稱中心頻率±26.5GHz的允差范圍內(nèi)。7.4激光線寬在100ms時(shí)間內(nèi)，激光線寬應(yīng)小于53GHz(峰值1/e2處全寬)。7.5帶內(nèi)和帶外輻射發(fā)射信號(hào)中心頻率±50GHz帶寬內(nèi)能量應(yīng)大于全部輸出能量的95%。7.6.1無數(shù)據(jù)傳輸無數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，信標(biāo)應(yīng)被調(diào)制為3.8145kHz方波。方波的周期為262144ns,即脈沖和非脈沖時(shí)隙持續(xù)時(shí)間均為131072ns。7.6.2有數(shù)據(jù)傳輸使用數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，接收編碼和同步子層接收的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，控制每個(gè)時(shí)隙內(nèi)發(fā)射光的強(qiáng)度。注1:OOK調(diào)制中每個(gè)時(shí)隙為通或斷的狀態(tài)，編碼和同步子層上的PPM會(huì)引起對(duì)物理層的變化。注2:數(shù)據(jù)傳輸無偏振要求。時(shí)隙寬度應(yīng)為65536ns。注：本文件與使用更窄脈沖時(shí)隙寬度的系統(tǒng)兼容，通過對(duì)時(shí)隙寬度進(jìn)行整數(shù)倍縮減，擴(kuò)展至更高速率。7.7時(shí)間抖動(dòng)脈沖時(shí)間抖動(dòng)RMS應(yīng)小于時(shí)隙寬度的10%。68管理參數(shù)深空光通信物理層管理參數(shù)如表1所示，主要包括下行信號(hào)中心頻率、信號(hào)時(shí)隙寬度、上行信標(biāo)中心頻率等。表1信號(hào)管理參數(shù)控制參數(shù)允許的值備注下行信號(hào)中心頻率參數(shù)n—18～28見6.2信號(hào)偏振(0,1)使用“1”或未使用“0”見6.6信號(hào)時(shí)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(biāo)