To build a free-space inter-satellite optical communication systems, the line of sight of their optics must be aligned during the entire period of communications. In order to meet this requirement, satellites use the attitude informations for rough pointing, and a tracking system for fine pointing to other satellites. One important aspect in inter-satellite optical communications is to obtain maximum link performance using minimum power. This aim can be achieved with very small transmitter beam divergence angle. The disadvantage of too narrow divergence angle is that the transmitter beam may sometimes miss the receiver satellite due to the pointing vibrations.
In this study, an algorithm to maximize the link of inter-satellite optical communication systems using the adaptive beam divergence angle with data rate adaptation is proposed. This adaptation makes it possible to maintain communication link without link failure when the systems meet some large unknown vibration conditions. Also it can operate a communication link with high data rate when the systems are under the stabilized conditions.
고속의 데이터 전송량의 증가가 요구되는 현재의 위성통신 시스템에 있어서, 위성간 광 통신 시스템은 이러한 요구사항들을 만족시키는 많은 장점을 가지고 있다. 첫째는 마이크로파를 사용하는 통신위성시스템에 비하여 시스템의 크기가 작고 기존의 무선 통신장비에 비하여 더 작은 무게를 가지며, 작은 출력 파워를 사용하여 더 높은 데이터 전송률을 만들 수 잇다. 또한 마이크로파를 사용하는 통신위성이 경우 근겁 위성간의 간섭으로 인한 문제가 심각한 상황에서, 광원을 사용한 통신 위성의 경우에는 이러한 건섭에 대해 아주 좋은 장점을 갖고 있다. 그러나, 우주공간상의 위성간 광통신 시스템을 구현하기 위해서는 이러한 광통신 시스템을 가진 두 위성이 통신을 하는 전체 시간동안 작은 광폭을 가진 시스템이 정렬된 상태를 유지할 수 있어야 한다. 아주 작게 설계된 통신용 광원의 빔폭을 일정한 범위에서 유지시켜야 되는 요구사항을 만족시키기 위해서 는 위성시스템의 진도범위보다 통신용 광원의 폭을 크게 함으로서 통신망을 구현할 수 있으나, 광원의 폭을 크게 하게 되면, 주어진 전송량을 맞추기 위해서 송신단의 출력을 크게 해야되는 문제를 갖고 있다. 또한 전송효율을 높이기 위한 방법으로 작은 광원의 폭을 가진 공정된 광폭은 위성의 진동 상태에 따라서, 수신단의 위성이 통신용 광원을 잃어버림으로서 통신망이 끊어지는 상황이 발생할 수 있게 된다
따라서 , 본 논문에서는 이러한 위성의 진동상태에 따른 가변적이 광폭을 가진 광원과 데이터 전송률를 변화시킴으로서 고 신뢰의 위성간 통신이 가능한 기법을 제시하고 제안한 적응형 광폭을 이용한 통신망의 성능을 분석하였다.위성간 광통신을 위한 적응형 통신 기법을 네 단계로 나누면, 광축 정렬(Line of Sight), 일반 추적(Coarse Tracking),상세 추적(Fine Tracking),그리고 광원의 폭과 데이터 전송률을 조절하는 적응과정(Adaptation)으로 나눌 수 있다. 첫 번째, 광축 정렬과정에서는 위성의 위치 및 자세제어 정보 등을 이용하여 두 위성의 광 통신 시스템이 일직선상에 위치하도록 하는 과정이다. 두번째로 일반 추적과정은 유도 광원을 이용하여 광 통신시스템의 광학계가 송신단의 신호를 획득할 수 있도록 하는데 있다. 세 번째 과정은 통신용 광원이 수신단의 신호를 검출하는 소자에 전달될 수 있도록 미세 진동 거울등을 이용하여 통신용 광원을 수신부에 지속적으로 수신될 수 있도록 하는 상세 추적과정이다. 이러한 과정들을 통하여 수신되는 각 광원의 상태를 이용하여, 위성의 진동상태를 분석하며, 수신되는 광원의 진동 상태등 수신 상태를 송신단에 보냄으로서 광원의 폭과 테이터 전송률을 결정할 수 있도록 하는 적응과정이 있다. 고정된 광원의 폭과 데이터 전송률을 사용하는 시스템의 경우 위성의 진동범위가 범위가 초기 설정된 범위보다 크게 나타나는 경우 통신망이 끊어지게 되나, 이러한 적응형 시스템에서는 순차적으로 송신되는 통신용 광원의 폭을 2배 , 4배순 등으로 증가 시키고 각각의 경우에 해당하는 최적의 데이터 전송률로 바꿈으로서 통신용 광원이 수신단에 주어진 BER이상으로 전달될 수 있도록 할 수 있다. 따라서 통신 링크가 끊어지지 않고 외부의 조건에 맞도록 조절하는 과정에서 계산된 데이터 전송률 등을 보였다.
또한, 이러한 적응형 통신 기법을 적응하기 위한 적응형 송신 시스템과 적응형 수신 시스템을 제안하였으며, 송신 시스템은 통신 채널에 대한 데이터 전송률 정보와 두 위성간의 정렬에 필요한 정보를 갖고 있는 광원의 폭이 넓은 유도 광원(Beacon Laser)과 광원의 폭이 좁고 통신 효율이 높은 통신용 광원(Communication Laser)으로 구성되어있다. 수신시스템은 광의 폭이 넓은 유도 광원을 수신하는 부분과 통신용 신호를 수신하는 부분으로 크게 나뉘며, 유도 광원에서 얻은 데이터 전송률을 이용하여 통신용 신호를 복조하게 된다. 또한 유도 광원에서 얻은 진동정보는 광원을 정렬하는 시스템에 보내지게 되며, 통신용 광원에서 얻은 진동정보와 함께 통신망의 광원의 폭과 데이터 전송률을 결정하는 요소가 된다.
이러한 통신용 광원의 폭과 데이터의 전송량을 변화시키는 방법을 이용함으로서 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다. 첫째는 위성의 진동 상태에 따른 광 추적 시스템의 기능을 위성의 외부 환경 변화에 대하여 통신용 광원의 광폭을 증가 시키고 데이터 전송량을 줄임으로서 주어진 통신망의 BER 을 맞추도록 하여, 통신망이 끊어지지 않고 유지 되게 함으로서 광 통신을 이용한 위성 통신망과 같은 고 신뢰의 통신망 운영이 가능하게 된다. 두 번째는 , 이러한 광폭과 데이터 전송량의 변화를 이용하면, 위성의 시스템이 안정된 상태를 유지하게 될 경우에는 광원의 폭을 좁히고 데이터 전송량을 높임으로서 고정된 전송율을 가진 시스템보다 고속의 전송시스템을 구현할 수 있음을 알 수 있다. 이러한 방법을 통한 위성간 광통신 시스템은, 우주에서도 지상의 광섬유 통신망에 준하는 고속의 전송을 구현할 수 있음을 볼 수 있다.
