АНАЛИЗ ВОСХОДЯЩЕГО ЛАЗЕРНОГО КАНАЛА СПУТНИКОВОЙ КОММУНИКАЦИИ В УСЛОВИЯХ АТМОСФЕРНОЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ
Аннотация
По сравнению с традиционной спутниковой радиосвязью методы лазерной связи де-
монстрируют более высокую производительность с точки зрения доступных скоростей
передачи данных, а также гарантируют снижение массогабаритных показателей, умень-
шение веса и мощности аппаратуры на летательном аппарате. В системе спутниковой
связи лазерный передатчик генерирует узкий пучок модулированного излучения. Лазерный
луч, распространяющийся в атмосфере по направлению к оптическому приемнику, может
испытывать значительные случайные флуктуации оптической интенсивности из-за тур-
булентности, что приводит к потере мощности и ухудшению характеристик системы.
В системе с мультиплексированием поднесущих (SCM) несколько несущих информацию
радиосигналов электрически модулируются на разных поднесущих радиочастотах. Анало-
говые или цифровые сигналы, несущие информацию, могут иметь различные форматы
модуляции. Высокая устойчивость к воздействию турбулентности атмосферы достига-
ется с помощью однополосной модуляции. Оптическое излучение с одной боковой полосой
(OSSB) обычно генерируется с использованием модулятора Маха-Цендера (MZM) с двумя плечами. В статье проанализирован канала спутниковой связи в условиях атмосферной тур-
булентности, где однополосное оптическое излучение с модулировано радиосигналом на под-
несущей частоте с квадратурной фазовой манипуляцией. Разработана модель канала связи,
учитывающая как атмосферную турбулентность, так и основные параметры передающей и
приёмной станций. Численные результаты, представленные в исследовании лазерной спут-
никовой связи, основаны на атмосферной высотной модели структурной характеристики
флуктуаций показателя преломления Хафнагеля-Валли. Проведенный анализ позволяет оце-
нить влияние на принимаемую мощность оптического излучения атмосферной турбулентно-
сти, ошибки наведения и диаметра приёмной апертуры телескопов при передаче лазерного
сигнала между наземной станцией и спутником для системы лазерной связи.
Литература
Policy, 1997, Vol. 13, No. 1, pp. 47-54.
2. Toyoshima M. Trends in satellite communications and the role of optical free-space communications,
Journal of Optical Networking, 2005, Vol. 4, No. 6, pp. 300-311.
3. Chan V.W.S. Optical satellite networks, Journal of Lightwave Technology, 2003, Vol. 21,
No. 11, pp. 2811.
4. Phillips R.L., Andrews L.C. Analysis of a satellite communication channel: optical scintillations
and fade statistics, Image Propagation through the Atmosphere. SPIE, 1996, Vol. 2828,
pp. 189-197.
5. Sandalidis H.G. Performance of a laser earth-to-satellite link over turbulence and beam wander
using the modulated gamma–gamma irradiance distribution, Applied optics, 2011, Vol. 50,
No. 6, pp. 952-961.
6. Wang F. et al. Wander of a Gaussian-Beam Wave Propagating through Kolmogorov and Non-
Kolmogorov Turbulence along Laser-Satellite Communication Uplink, Atmosphere, 2022,
Vol. 13, No. 2, pp. 162.
7. Toyoda M. Intensity fluctuations in laser links between the ground and a satellite, Applied
optics, 2005, Vol. 44, No. 34, pp. 7364-7370.
8. Dios Otín V.F. et al. Scintillation and beam-wander analysis in an optical ground station–
satellite uplink. – 2004.
9. Jingsong X., Xiaolei Z. Scintillation of a tracked Gaussian beam for ground-to-satellite laser
communication, 2010.
10. Darcie T.E. et al. Lightwave system using microwave subcarrier multiplexing, Electronics
Letters, 1986, Vol. 15, No. 22, pp. 774-775.
11. Hui R. et al. Subcarrier multiplexing for high-speed optical transmission, Journal of lightwave
technology, 2002, Vol. 20, No. 3, pp. 417.
12. Salter M. et al. Circuits and system simulations for 100Gb/s optical SCM transmission, 2009
16th IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems-(ICECS 2009).
IEEE, 2009, pp. 960-963.
13. Smith G.H., Novak D., Ahmed Z. Overcoming chromatic-dispersion effects in fiber-wireless
systems incorporating external modulators, IEEE Transactions on microwave theory and techniques,
1997, Vol. 45, No. 8, pp. 1410-1415.
14. Smith G.H., Novak D., Ahmed Z. Technique for optical SSB generation to overcome dispersion
penalties in fibre-radio systems, Electronics letters, 1997, Vol. 33, No. 1, pp. 74-75.
15. Nirmalathas A., Smith G.H., Novak D. Sensitivity analysis of optical SSB generation using a
dual-electrode Mach-Zehnder modulator, International Topical Meeting on Microwave Photonics.
Technical Digest (including High Speed Photonics Components Workshop) (Cat.
No. 98EX181). IEEE, 1998, pp. 79-82.
16. Fernandez E. et al. Link budget model and applications for laser communications through the atmosphere,
Free-Space Laser Communication Technologies V. SPIE, 1993, Vol. 1866, pp. 191-202.
17. Andrews L.C., Phillips R.L. Laser beam propagation through random media, Laser Beam
Propagation Through Random Media: Second Edition, 2005.
18. Shcherbakov V.V., Solodkov A.F., Zadernovskiy A.A. Rasshirennye formaty odnopolosnoy
modulyatsii dvukhelektrodnogo modulyatora Makha-Tsendera [Extended formats of singlesideband
modulation of a two-electrode Mach-Zehnder modulator], Elektronika i
mikroelektronika SVCh [Microwave Electronics and Microelectronics], 2019, Vol. 1, No. 1,
pp. 395-399.
19. Khusseyn A.M.M., Rumyantsev K.E. Formirovanie odnopolosnoy kvadraturnoy fazovoy
manipulyatsii radiosignalov na podnesushchikh chastotakh v kogerentnoy opticheskoy sisteme
kommunikatsii [Formation of single-sideband quadrature phase shift keying of radio signals at
subcarrier frequencies in a coherent optical communication system], Izvestiya YuFU.
Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2022, No. 5, pp. 209-220.
20. Cuyt A.A.M. et al. Handbook of continued fractions for special functions. Springer Science &
Business Media, 2008.
21. Beytmen G., Erdeyi A. Funktsii Besselya, funktsii parabolicheskogo tsilindra, ortogonal'nye
mnogochleny [Bessel functions, parabolic cylinder functions, orthogonal polynomials],
Vysshie transtsendentnye funktsii [Higher transcendental functions]. Vol. 2. 2nd ed.: trans.
from engl. N.Ya. Vilenkina. Moscow: Nauka, 1974, 296 p.
22. Andrews L.C., Phillips R.L., Hopen C.Y. Laser beam scintillation with applications. Vol. 99.
SPIE press, 2001.
23. Alda J. Laser and Gaussian beam propagation and transformation, Encyclopedia of optical
engineering, 2003, Vol. 999, pp. 1013-1013.
24. Saleh B.E.A., Teich M.C. Fundamentals of photonics. John Wiley & sons, 2019.
25. Ghassemlooy Z., Popoola W., Rajbhandari S. Optical wireless communications: system and
channel odell n w th Matlab®. CRC press, 2019.
26. Kaushal H., Jain V.K., Kar S. Free space optical communication. New Delhi: Springer india,
2017, 60 p.
27. Toyoshima M. et al. Optimum divergence angle of a Gaussian beam wave in the presence of
random jitter in free-space laser communication systems, JOSA A, 2002, Vol. 19, No. 3,
pp. 567-571.
28. Mahmood H.A., Yvgen'Evich R.K., Shookor A.K.H. Evolution of radio over free space optical
communication utilizing subcarrier multiplexing/amplitude shift keying, Izvestiya YuFU.
Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2020, No. 5 (215), pp. 141-149.
29. Aviv D. Laser space communications. Artech, 2006.
