Tip tilt and focus estimation based on LGS and downlink joint measurements for ground to GEO satellite optical communication link
Estimation des modes de tip tilt et focus basée sur des mesures conjointes d’étoile laser et du lien descendant, appliquée au liaisons optiques satellitaires sol-GEO
Résumé
Achieving high data rates in GEO Feeder optical uplinks faces challenges due to the fading nature of the channel induced by atmospheric turbulence. Adaptive optics precompensation using downlink measurements is a solution to mitigate the impact of the turbulence. However, the point-ahead angle anisoplanatism, inherent to the bidirectional link geometry, limits the uplink correction efficiency, leading to persistent signal fades and loss of information onboard the satellite. We recently proposed a new minimum mean square error method that improves the phase estimation at the PAA based on the downlink phase and log amplitude measurements, reducing the anisoplanatism impact on the coupled flux. Alternatively, a laser guide star can be used to measure the phase at the PAA. However, it is currently challenging to retrieve the tip, tilt, and focus modes, whose correction is essential to improve the link quality. In this article, we propose to combine both techniques to estimate the tip, tilt, and focus at the PAA by incorporating the LGS high-order measurements in the MMSE formalism. We develop the associated analytical reconstructor and evaluate the performance of the phase estimation and the gain on the coupled flux statistics aboard the GEO satellite, considering an idealized LGS system. The new estimator is shown to reduce the tip, tilt, and focus error variances by up to 70% of their initial value.
Les débits des liaisons optiques sol-satellite geostationnaire (GEO) sont aujourd’hui limités du fait de la nature fluctuante du canal de communication, intuite par la turbulence atmospherique. La pré-compensation par optique adaptative, basée sur la correction de la liaison descendante, est une solution pour atténuer l'impact de la turbulence. Cependant, l'anisoplanétisme dû à l'angle de pointage en avant, inhérent à la géométrie de la liaison bidirectionnelle, limite l'efficacité de la correction de la liaison montante, et de longues et fortes atténuations du signal persistent, induisant une perte d'informations à bord du satellite. Nous avons récemment proposé une nouvelle méthode de minimisation de l'erreur quadratique moyenne (MMSE) qui améliore l'estimation de phase à l'angle de pointage en avant (PAA), basée sur les mesures de phase et d'amplitude de la liaison descendante, réduisant ainsi l'impact de l'anisoplanétisme sur le flux couplé. Alternativement, il est envisage d’utiliser des étoiles lasers pour mesurer la phase au PAA. Cependant, il est actuellement difficile de récupérer les modes de bas ordre, tels que le tip, tilt et focus, dont la correction est essentielle pour améliorer la qualité de la liaison. Dans cet article, nous proposons de combiner les deux techniques pour estimer le tip, tilt et focus au pointage en avant en incorporant les mesures d'ordre élevé de l'étoile guide laser dans le formalisme MMSE. Nous développons le reconstructeur analytique associé et évaluons les performances de l'estimation de phase ainsi que le gain sur les statistiques du flux couplé à bord du satellite GEO, en considérant un système d'étoile guide laser idéalisé. Il est montré que le nouvel estimateur réduit les variances d'erreur de tip, tilt et focus jusqu'à 70 % de leur valeur initiale.
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