發(fā)展空間激光通信，提高對(duì)地觀測(cè)效能

李英超，胡源，趙義武，丁瑩，姜會(huì)林

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 空地激光通信技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022；2.吉林東光集團(tuán)有限公司，長(zhǎng)春 130012）

1 對(duì)地觀測(cè)的意義、趨勢(shì)及面臨問(wèn)題

1.1 對(duì)地觀測(cè)的意義

對(duì)地觀測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)用于全球?qū)崟r(shí)探測(cè)，在獲得地球表面及深部的時(shí)空信息中發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用。其主要意義可以概述為以下12個(gè)方面。（1）監(jiān)測(cè)災(zāi)害，減少損失；（2）監(jiān)測(cè)環(huán)境，保護(hù)人類；（3）監(jiān)測(cè)能源，造福社會(huì)；（4）監(jiān)測(cè)氣候，發(fā)現(xiàn)異常；（5）監(jiān)測(cè)水源，跟蹤循環(huán)；（6）監(jiān)測(cè)天氣，及時(shí)預(yù)報(bào)；（7）監(jiān)測(cè)生態(tài)，促進(jìn)平衡；（8）監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)，支持發(fā)展；（9）監(jiān)測(cè)生物，保護(hù)物種；（10）監(jiān)測(cè)地理，挖掘資源；（11）監(jiān)測(cè)城市，改善管理；（12）監(jiān)測(cè)軍事，保證安全。

1.2 對(duì)地觀測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)

1.2.1 向高分辨率方向發(fā)展

對(duì)地觀測(cè)的空間分辨率由最初的幾米（地面分辨率），發(fā)展到現(xiàn)在的0.5m（美國(guó)的高級(jí) KH-12軍用衛(wèi)星達(dá)到0.1m），下一代目標(biāo)是0.06m左右。光譜分辨率由最初的36個(gè)波段，發(fā)展到現(xiàn)在的256個(gè)波段，下一代目標(biāo)是400個(gè)波段左右。時(shí)間分辨率也在不斷的提高。

圖1 美國(guó)“地球之眼－1”商用衛(wèi)星（分辨率0.41m）拍攝的圖片F(xiàn)ig.1 The photo of American commercial satellite(the resolution is 0.41m)

圖2 汶川地震中無(wú)人機(jī)及意大利COSMOS衛(wèi)星（分辨率0.5m）拍攝的北川縣城遙感監(jiān)測(cè)圖片F(xiàn)ig.2 The remote sensing image of the BeiChuan by the unmanned vehicle and the COSMOS satellite(the resolution is 0.5m)

1.2.2 向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展

對(duì)地觀測(cè)將組建多層次、立體化、多角度、全方位和全天候的天空地一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。由多種軌道上不同衛(wèi)星相結(jié)合，再由衛(wèi)星、飛機(jī)及多種浮空器相結(jié)合組成觀測(cè)平臺(tái)網(wǎng)；由地球觀測(cè)遙感器、數(shù)據(jù)處理器和高速率通信系統(tǒng)組成動(dòng)態(tài)的綜合的對(duì)地觀測(cè)體系，為多種用戶提供實(shí)時(shí)的全球?qū)Φ赜^測(cè)數(shù)據(jù)服務(wù)。

1.2.3 向國(guó)際大協(xié)作方向發(fā)展

目前，全球有數(shù)以千計(jì)的科技裝置用于對(duì)地觀測(cè)，海洋上有幾千個(gè)數(shù)據(jù)浮標(biāo)，陸地上有幾千個(gè)觀測(cè)臺(tái)站，還有大量的衛(wèi)星等飛行器參與對(duì)地觀測(cè)。盡管各國(guó)對(duì)地觀測(cè)的實(shí)用性和統(tǒng)一性有了很大進(jìn)展，但各種對(duì)地觀測(cè)資料的收集、整合、存儲(chǔ)、分析與共享還不完備，其中大部分?jǐn)?shù)據(jù)是分散的，缺乏快速的互傳與統(tǒng)一的接口。所以，國(guó)際上有71個(gè)國(guó)家參加，于2005年組成了政府間對(duì)地觀測(cè)協(xié)調(diào)組織，中國(guó)氣象局局長(zhǎng)被選為聯(lián)合主席之一，目的是形成全面的、共享的和可持續(xù)的全球綜合對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)。

1.3 我國(guó)面臨的主要問(wèn)題

我國(guó)的對(duì)地遙感觀測(cè)技術(shù)經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，特別是近15年的努力和國(guó)家的大力支持，其信息獲取能力已經(jīng)有了明顯的提高，形成了譜段較全、學(xué)科和技術(shù)門類較完整的衛(wèi)星和機(jī)載觀測(cè)系統(tǒng)，在一些應(yīng)用領(lǐng)域顯現(xiàn)出不可替代的作用。但和國(guó)際相比還有一定的差距，我國(guó)對(duì)地觀測(cè)事業(yè)任重而道遠(yuǎn)，所面臨的主要問(wèn)題有：

（1）從總體上看，我國(guó)目前處于以觀測(cè)和監(jiān)測(cè)為主的階段，尚未形成全天候、全天時(shí)和全球視野的遙感觀測(cè)與偵察能力；快速反應(yīng)能力較差，預(yù)測(cè)與預(yù)警能力薄弱；在數(shù)據(jù)共享、服務(wù)規(guī)范等方面也都存在較大差距。

（2）從技術(shù)上看，一是缺乏高分辨率的、即時(shí)的和準(zhǔn)確的遙感數(shù)據(jù)，二是對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)的通信能力較弱，帶寬有限，影響了信息的快速傳遞與應(yīng)用，同時(shí)迫使數(shù)據(jù)壓縮傳輸，降低了分辨率。正如《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》指出的：“高分辨數(shù)據(jù)主要依靠國(guó)外，未形成完整的對(duì)地觀測(cè)體系”。

專業(yè)教育干預(yù)促進(jìn)了社區(qū)藥師的道德推理能力的發(fā)展；評(píng)估加利福尼亞州藥學(xué)和醫(yī)學(xué)生的飲食和生活習(xí)慣；藥學(xué)生領(lǐng)導(dǎo)行為激勵(lì)因素的定性研究；提高藥學(xué)生健康素養(yǎng)和自信心的互動(dòng)式多元化途徑；學(xué)生焦慮程度與考試合格率負(fù)相關(guān)；藥學(xué)前工作經(jīng)驗(yàn)對(duì)學(xué)生藥師職業(yè)認(rèn)同的影響；學(xué)術(shù)道德，對(duì)于藥學(xué)生的誠(chéng)信教育；改善藥學(xué)生的睡眠質(zhì)量；職業(yè)機(jī)密性要求；健康知識(shí)與學(xué)習(xí)成績(jī)的關(guān)系；學(xué)生對(duì)溝通技巧的自我評(píng)估與教師對(duì)他們溝通技巧評(píng)估結(jié)果的比較。主要關(guān)注的是藥學(xué)生的身體和心理健康、學(xué)術(shù)道德、同情心、領(lǐng)導(dǎo)力的發(fā)展以及職業(yè)認(rèn)同感。

（3）從解決途徑上看，一是在信息獲取方面，要努力提高分辨率和測(cè)量精度；二是在信息傳輸方面，既要解決海量數(shù)據(jù)的大容量實(shí)時(shí)傳輸，又要解決信息傳輸?shù)谋Ｃ?、抗干擾等問(wèn)題。

2 空間激光通信技術(shù)在對(duì)地觀測(cè)中的應(yīng)用前景

空間激光通信是人們經(jīng)過(guò)多年探索并于近幾年取得突破性進(jìn)展的新技術(shù)。由于空間激光通信的一系列優(yōu)點(diǎn)，它已成為解決微波通信瓶頸，構(gòu)建天基寬帶網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地觀測(cè)海量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)挠行侄?，具有很大的民用和軍事?yīng)用潛力。

（1）衛(wèi)星(包括各種航天器)之間、衛(wèi)星與地面站之間的通信目前主要采用微波手段，而光波比微波頻率高3－4個(gè)數(shù)量級(jí)，作為通信的載波有更大的利用頻帶。目前，對(duì)地觀測(cè)的空間分辨率正在以每10年一個(gè)數(shù)量級(jí)的速度提高，空間激光通信的技術(shù)優(yōu)勢(shì)可實(shí)現(xiàn)高分辨率和多手段組合的海量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，對(duì)于地球科學(xué)研究、環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測(cè)、軍事信息獲取等應(yīng)用意義重大。

（2）光波波長(zhǎng)短，與微波相比其發(fā)射天線口徑成倍減小，同時(shí)激光發(fā)散角小、能量高度集中，功率相對(duì)較低，使得通信終端在體積、重量和功耗方面都具有明顯優(yōu)勢(shì)。該特點(diǎn)使得光通信終端易于搭載各種平臺(tái)，實(shí)用化程度高。對(duì)于構(gòu)建地觀測(cè)天基信息網(wǎng)將起到推動(dòng)作用。

（3）激光通信的高指向性使它的發(fā)射光束極窄，方向性好。通常激光光束的發(fā)散角都在毫弧度量級(jí)，甚至微弧度量級(jí)，因此接收區(qū)域很小，能夠有效地提高防竊聽(tīng)的能力，使得對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸具有極高的保密性。

（4）光波波段遠(yuǎn)離電磁波譜，采用空間激光通信不會(huì)像電信號(hào)那樣受到電磁信號(hào)干擾，其抗干擾能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于比微波通信。在機(jī)場(chǎng)、戰(zhàn)區(qū)等特殊環(huán)境下，仍能夠保證對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)的順暢傳輸。

（5）空間激光通信，其經(jīng)過(guò)大氣信道鏈路受氣候及天氣的影響較大，但是通過(guò)選擇適宜的波長(zhǎng)、采用多點(diǎn)布站、與其他傳輸手段的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)等措施可以有效減少這些影響。

表1 典型空間激光通信試驗(yàn)列表Tab.1 Tab of the classical space laser communication

因此，先進(jìn)的空間激光通信將為對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展起到極大的促進(jìn)和支撐作用，并使對(duì)地觀測(cè)的效能進(jìn)一步提升。

3 空間激光通信的發(fā)展態(tài)勢(shì)

近幾年來(lái)，美國(guó)、歐空局各成員國(guó)、日本等國(guó)極其重視空間激光通信技術(shù)發(fā)展，對(duì)各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)了全面深入研究，并已取得突破性進(jìn)展，成功地實(shí)現(xiàn)了多條鏈路之間的光通信試驗(yàn)，為對(duì)地觀測(cè)技術(shù)與高速率激光通信技術(shù)的結(jié)合奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

我國(guó)空間激光通信研究與歐、美、日相比起步較晚，已進(jìn)行了關(guān)鍵技術(shù)、原理樣機(jī)和野外試驗(yàn)等研究，并開(kāi)始部分工程化研究。開(kāi)展空間光通信研究的單位主要有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京大學(xué)、電子科技大學(xué)、上海光機(jī)所、航天504所、長(zhǎng)春理工大學(xué)等。

4 對(duì)地觀測(cè)用空間激光通信的發(fā)展目標(biāo)及關(guān)鍵技術(shù)

4.1 發(fā)展目標(biāo)

對(duì)地觀測(cè)用激光通信技術(shù)，未來(lái)的主要發(fā)展目標(biāo)是：（1）通信平臺(tái)—衛(wèi)星（GEO、LEO等），臨近空間平臺(tái)（高空飛艇、高空無(wú)人機(jī)等），飛機(jī)（專用飛機(jī)、預(yù)警機(jī)等）。（2）通信速率—1.5～40Gbps（根據(jù)使用要求不同）。（3）通信距離—20～45000km（根據(jù)使用要求不同）。（4）通信波長(zhǎng)m等。（5）誤碼率—106～109（根據(jù)使用條件不同）。（6）光端機(jī)重量—約20～100kg（根據(jù)使用要求不同）。

4.2 主要關(guān)鍵技術(shù)

4.2.1 高功率、高調(diào)制速率的激光發(fā)射技術(shù)

隨著通信距離的增加以及傳輸信息容量的提高，高功率、高速率的激光發(fā)射技術(shù)是空間激光通信發(fā)展的需求。高功率、高傳輸碼率調(diào)制和解調(diào)技術(shù)需要研制高效、低耗、穩(wěn)定、長(zhǎng)壽命的激光光源。目前采用的激光光源多數(shù)為半導(dǎo)體激光器，也有部分系統(tǒng)使用固體激光光源，光纖激光光源的空間適應(yīng)性正在研究中。此外，在空間環(huán)境中，激光器的溫控也是保證其性能參數(shù)的重要環(huán)節(jié)。

4.2.2 高靈敏度、抗干擾的光信號(hào)接收技術(shù)

在空間信道環(huán)境下，由于通信距離遠(yuǎn)、空間損耗大，接收到的光信號(hào)往往十分微弱，特別是在大氣信道環(huán)境下，還伴隨著大氣湍流和背景光的干擾。這就要求激光通信接收機(jī)具有高的探測(cè)靈敏度，有抗背景噪聲干擾的能力。其探測(cè)靈敏度最高達(dá)到nW-pW量級(jí);在后續(xù)電信道上則采用微弱信號(hào)檢測(cè)和處理技術(shù)。

4.2.3 高精度的捕獲、瞄準(zhǔn)和跟蹤(APT)技術(shù)

為了減小發(fā)射功率，遠(yuǎn)距離激光發(fā)射通常采用的是微弧度量級(jí)的窄光束，因此，在兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，且存在平臺(tái)擾動(dòng)的終端之間快速、高概率的成功建立起通信鏈路，高精度地捕獲、瞄準(zhǔn)、跟蹤(APT)是實(shí)現(xiàn)的前提。通常由粗、精跟蹤兩個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成，根據(jù)不同的任務(wù)采用機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)、光學(xué)擺鏡、振鏡等不同的伺服機(jī)構(gòu)。

4.2.4 發(fā)射接收光學(xué)天線設(shè)計(jì)技術(shù)

作為整個(gè)空間激光通信功能的載體，光端機(jī)發(fā)射接收光學(xué)天線的成功研制是實(shí)現(xiàn)通信的前提。對(duì)于孔徑較大的天線，可采用反射式，有助于降低制造難度，提高其可靠性、減輕重量;而當(dāng)天線孔徑較小時(shí)，則選用透射式。

4.2.5 大氣信道的抗干擾技術(shù)

大氣對(duì)激光通信的干擾是制約高速率通信鏈路實(shí)現(xiàn)的重要因素。研究大氣影響鏈路性能的解決方案，對(duì)實(shí)現(xiàn)空地激光通信鏈路具有非常重要的意義。目前主要采用增加天線口徑、多孔徑發(fā)射、地面站選址、自適應(yīng)光學(xué)等方法。

5 展望

5.1 進(jìn)一步拓寬遙感波段，實(shí)現(xiàn)全波段觀測(cè)與信息傳輸

對(duì)目前常用的可見(jiàn)光、紅外光、微波等遙感波段進(jìn)行拓展，引入太赫茲等波段，是實(shí)現(xiàn)全波段對(duì)地觀測(cè)與信息傳輸?shù)闹匾侄危ㄈ鐖D3所示）。

圖3 波段分布圖Fig.3 Diagram of wavelength distribute

其中，太赫茲波段介于微波與遠(yuǎn)紅外光之間，具有比微波更好的方向性和更大的信息傳輸容量、比紅外光更強(qiáng)的大氣透過(guò)能力，可實(shí)現(xiàn)全天候通信。因此，太赫茲波在對(duì)地觀測(cè)和信息傳輸方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

5.2 進(jìn)一步提高傳輸速率，實(shí)現(xiàn)觀測(cè)信息傳輸實(shí)時(shí)化

目前遙感終端獲取信息的能力高于數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的傳輸能力，而且，遙感信息與傳輸能力之間的矛盾越來(lái)越嚴(yán)重，如高分辨率遙感衛(wèi)星，要求傳輸速率達(dá)到幾十Gbps，甚至更高，空間激光通信技術(shù)在進(jìn)一步提高傳輸速率上將會(huì)有更大作為。

5.3 組建信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)天空地觀測(cè)一體化

未來(lái)15年，人類將進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)化對(duì)地觀測(cè)的新時(shí)代。這樣的天空地一體化全球?qū)Φ赜^測(cè)網(wǎng)絡(luò)，能夠準(zhǔn)確有效、快速及時(shí)地提供多種空間分辨率、時(shí)間分辨率和光譜分辨率的對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)；縮短重放周期，提高觀測(cè)頻度，實(shí)現(xiàn)高時(shí)效性；降低對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)大型、昂貴的衛(wèi)星平臺(tái)和眾多傳感器的依賴程度，節(jié)約資源；解決應(yīng)急空間中突發(fā)事件數(shù)據(jù)的及時(shí)傳輸。隨著空間激光通信技術(shù)與日趨完善，利用激光通信組建空間信息傳輸網(wǎng)絡(luò)已成為大勢(shì)所趨。

［1］周志鑫，吳志剛，季艷.空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用［J］.中國(guó)工程科學(xué)，2008，10（6）：28-32.

［2］劉闖，葛成輝.美國(guó)對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)（EOS）中分辨率成像光譜儀（MODIS）遙感數(shù)據(jù)的特點(diǎn)與應(yīng)用［J］.遙感信息，2000（3）：45-48.

［3］姜景山.中國(guó)對(duì)地觀測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展的若干思考［J］.中國(guó)工程科學(xué)，2006，8（11）：19-24.