衛(wèi)星激光通信技術(shù)

摘 要：激光通信設(shè)備具有通信速率高、體積小、重量輕和功耗低等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用在衛(wèi)星與衛(wèi)星之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。文章介紹了衛(wèi)星激光通信技術(shù)的特點(diǎn)及系統(tǒng)組成，詳細(xì)分析了衛(wèi)星激光通信的關(guān)鍵技術(shù)。最后結(jié)合國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星激光通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和水平，提出了我國(guó)大力發(fā)展衛(wèi)星激光通信技術(shù)和應(yīng)用系統(tǒng)的建議。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星激光通信；激光通信；數(shù)據(jù)傳輸

引言

目前衛(wèi)星通信主要是微波通信，隨著航天技術(shù)應(yīng)用的逐步深入，微波通信中的頻率資源已經(jīng)顯得越來(lái)越緊張，且經(jīng)常性出現(xiàn)頻率干擾問題，數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，傳統(tǒng)的微波通信已經(jīng)不能滿足未來(lái)航天通信的需求，因此急需開發(fā)新的通信手段來(lái)彌補(bǔ)未來(lái)通信的不足。

衛(wèi)星與衛(wèi)星之間的無(wú)線激光通信是一項(xiàng)嶄新的衛(wèi)星通信體制，相對(duì)于現(xiàn)有的衛(wèi)通技術(shù)而言，具有以下技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：（1）通信速率高，激光通信通信速率能達(dá)到10Gbps或者更高。（2）體積小、重量輕、功耗低。（3）不存在頻率干擾問題，由于衛(wèi)星與衛(wèi)星之間采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線激光通信，因此基本上不存在干擾問題。（4）隱蔽通信和抗干擾能力更強(qiáng)。由于衛(wèi)星激光通信具有極窄的束散角，不容易被偵察和被干擾。（5）作用距離更遠(yuǎn)，是未來(lái)深空高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦硐爰夹g(shù)手段。深空探測(cè)從環(huán)月的幾十萬(wàn)千米到幾百萬(wàn)千米（甚至更遠(yuǎn)），對(duì)通信頻段提出了更高的要求。

1 國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星激光通信發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀分析

20世紀(jì)60年代，國(guó)際上就開始了空間光通信技術(shù)的研究，主要進(jìn)展如下。

1.1.1 歐空局光通信

歐洲空間局（ESA）于1986年提出了SILEX計(jì)劃，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展先后進(jìn)行了低軌道衛(wèi)星與同步軌道衛(wèi)星之間、GEO與地面的激光通信實(shí)驗(yàn)（見圖1）。低軌道終端搭載在法國(guó)地球觀測(cè)衛(wèi)星SPOT4上，高軌道終端OPALE搭載在ARTEMIS衛(wèi)星上。兩顆衛(wèi)星間隔30000km，相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度為7km/s。2001年11月，ESA完成了通過(guò)星間鏈路將圖象從SPOT4經(jīng)由ARTEMIS傳送到地面站的實(shí)驗(yàn)，通信速率為50Mbit/s。

德國(guó)的TerraSAR-X激光通信終端TerraSAR-X計(jì)劃搭載一個(gè)激光通信終端（LTC）通信速率為5.625Gbps（24*255Mbps），可以用來(lái)進(jìn)行星間激光通信（美國(guó)的低軌衛(wèi)星）和星地激光通信，用于實(shí)時(shí)傳輸合成孔徑雷達(dá)上的數(shù)據(jù)。2008年2月21日，TerraSAR-X衛(wèi)星與NFIRE衛(wèi)星成功進(jìn)行了世界上首次星間相干激光鏈路實(shí)驗(yàn)，鏈路距離3700～4700km、鏈路持續(xù)時(shí)間50～650s、誤碼率優(yōu)于10-9、通信數(shù)據(jù)率高達(dá)5.625Gbps，該實(shí)驗(yàn)的成功標(biāo)志著星間光通信技術(shù)的發(fā)展向前邁進(jìn)了一大步。

1.1.2 日本空間光通信發(fā)展

日本從80年代中期就開始星間激光通信的研究工作。1995年6月，日本的ETS-VI衛(wèi)星與美國(guó)的大氣觀測(cè)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了雙向激光通信，在相距32000km的情況下通話8分鐘。1995年7月，ETS-VI 衛(wèi)星成功進(jìn)行了星地光通信實(shí)驗(yàn)，傳輸距離37800km，傳輸速率1.024Mbit/s。2004年，日本計(jì)劃在日本實(shí)驗(yàn)太空艙（JEM）“Kibo”上進(jìn)行光通信實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)在Kibo 和多個(gè)地面接收站之間進(jìn)行，傳輸距離38，000km，下行速率2.5Gbit/s。

另外更引人注目的星地激光通信是日本的LUCE計(jì)劃， LUCE通信終端（見圖2）負(fù)載于OICETS衛(wèi)星上，LUCE裝載衛(wèi)星的頂端。2005年12月9日實(shí)現(xiàn)了LUCE 終端與Artemis衛(wèi)星上的終端之間的激光通信。2006年3月，LUCE 終端與日本國(guó)家信息通信技術(shù)研究所（NICT） 光學(xué)地面站成功進(jìn)行了雙向激光通信試驗(yàn)，示意圖見圖2。2006年6月7日，LUCE 終端與德國(guó)宇航中心移動(dòng)光學(xué)地面站OGS-OP之間實(shí)現(xiàn)激光通信試驗(yàn)，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)低軌衛(wèi)星與光學(xué)地面站的激光通信，日本LUCE計(jì)劃的成功推動(dòng)了星間激光通信技術(shù)的發(fā)展。

1.1.3 美國(guó)空間光通信

美國(guó)于20世紀(jì)60年代中期就開始實(shí)施空間光通信方面的研究計(jì)劃。美國(guó)近年來(lái)報(bào)道的大多是激光通信系統(tǒng)地面大氣傳輸實(shí)驗(yàn)等方面的研究，但一直以來(lái)各研究機(jī)構(gòu)也進(jìn)行了大量的星間相干光通信體制的理論和實(shí)驗(yàn)研究。

2000年，搭載星載光通信終端LCT的衛(wèi)星STRV-2成功發(fā)射，但是由于衛(wèi)星的位置和姿態(tài)控制精度未在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，沒能與地面站建立光通信鏈路。2003年，美國(guó)JPL開始建造光通信望遠(yuǎn)鏡實(shí)驗(yàn)室（OCTL），該實(shí)驗(yàn)室主要包括一個(gè)1m口徑的光通信望遠(yuǎn)鏡，用于研究多種激光在空間傳輸?shù)男阅埽蓪?shí)現(xiàn)與低軌到地球同步軌道光通信終端的光通信。

美國(guó)轉(zhuǎn)型通信衛(wèi)星計(jì)劃將在戰(zhàn)時(shí)和和平時(shí)期為國(guó)防部創(chuàng)建更寬的帶寬。美國(guó)防部已經(jīng)在新墨西哥州進(jìn)行了概念試驗(yàn)，成功的實(shí)驗(yàn)顯示出太空與地面站、太空與飛機(jī)之間進(jìn)行激光通信的可能性，隨著結(jié)合激光通信的轉(zhuǎn)型衛(wèi)星計(jì)劃的出現(xiàn)，美國(guó)防部將會(huì)在帶寬方面獲得巨大提升。目前衛(wèi)星上操作的帶寬是幾年前的10倍，在配備有寬帶間隙填充儀的先進(jìn)極高頻衛(wèi)星發(fā)射后，帶寬將擴(kuò)大10倍，應(yīng)用激光通信后，帶寬將再次擴(kuò)大10倍。

1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)在激光通信技術(shù)的研究從“七五”開始，已經(jīng)有了近30年的時(shí)間，已經(jīng)在空間激光通信領(lǐng)域取得了一定成果，主要集中在大專院校和部分廠所。這些研究主要是針對(duì)某一特定問題而展開的，從不同的角度研究激光通信。單機(jī)或者單項(xiàng)技術(shù)研究居多，系統(tǒng)層面以及工程應(yīng)用層面的研究和試驗(yàn)不多，與國(guó)外的差距較大。

2 衛(wèi)星激光通信組成

衛(wèi)星間激光通信系統(tǒng)主要由發(fā)射分系統(tǒng)、接收分系統(tǒng)、光學(xué)分系統(tǒng)、捕獲跟蹤瞄準(zhǔn)（簡(jiǎn)稱ATP）分系統(tǒng)和信息處理分系統(tǒng)等組成。如圖3所示。

2.1 天線分系統(tǒng)

天線分系統(tǒng)主要由望遠(yuǎn)鏡，濾光片，天線方位俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)，精跟蹤和超前瞄準(zhǔn)快速反射鏡等設(shè)備組成；主要完成信標(biāo)光和信號(hào)光的發(fā)射，信標(biāo)光和信號(hào)光的接收和濾波等任務(wù)。

天線發(fā)射部分完成對(duì)發(fā)射激光的準(zhǔn)直和擴(kuò)束，使激光光束按照一定的發(fā)散角發(fā)射出去。天線接收部分主要完成對(duì)接收光學(xué)的濾波、光束匯聚至相應(yīng)的探測(cè)器上。

2.2 發(fā)射分系統(tǒng)

發(fā)射分系統(tǒng)主要由激光器、調(diào)制器、功率放大器及驅(qū)動(dòng)源等設(shè)備組成，主要完成信標(biāo)光產(chǎn)生、信號(hào)光產(chǎn)生、數(shù)據(jù)相干調(diào)制和信號(hào)光功率放大任務(wù)。

在衛(wèi)星間激光鏈路中，光源的設(shè)計(jì)非常重要，它直接影響到天線增益、探測(cè)器的靈敏度、通信距離等參量，本系統(tǒng)選用半導(dǎo)體激光器作為光源，并同時(shí)使用兩只激光器，分別作為信標(biāo)光源和信號(hào)光源。由不同的激光器產(chǎn)生的信號(hào)光和信標(biāo)光分別經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)后，具有合適的發(fā)散角，然后通過(guò)合束器合成，最后經(jīng)過(guò)收發(fā)光學(xué)天線發(fā)射出去。

信標(biāo)激光器用作系統(tǒng)的ATP探測(cè)，為便于雙方搜索，減小捕獲時(shí)間，信標(biāo)光源應(yīng)有較大的光束發(fā)散角，此外，為保證接收端有足夠強(qiáng)的光信號(hào)，對(duì)信標(biāo)光激光器的發(fā)射功率要求相對(duì)較高。

信號(hào)激光器應(yīng)有較好的光束質(zhì)量和較高的調(diào)制頻率響應(yīng)，為得到較大的輸出功率，選用半導(dǎo)體激光器+光纖放大器體制。

2.3 接收分系統(tǒng)

接收分系統(tǒng)主要由光電探測(cè)器、濾波電路和放大電路等設(shè)備組成，主要完成微弱光信號(hào)的探測(cè)和數(shù)據(jù)信號(hào)的解調(diào)等任務(wù)。

2.4 ATP分系統(tǒng)

ATP分系統(tǒng)主要由粗跟蹤單元、精跟蹤單元、中心控制器、超前瞄準(zhǔn)機(jī)構(gòu)以及相關(guān)光路組成。主要完成對(duì)方信標(biāo)光的捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)任務(wù)。由于星間距離較遠(yuǎn)，為了滿足作用距離，設(shè)計(jì)的信號(hào)光波束極窄。當(dāng)收到對(duì)方信號(hào)時(shí)，目標(biāo)已運(yùn)動(dòng)到接收波束之外。雙方發(fā)射天線波束的超前瞄準(zhǔn)功能將克服該現(xiàn)象，確保星地鏈路通信正常。

粗跟蹤單元負(fù)責(zé)在大視場(chǎng)范圍內(nèi)搜索、捕獲目標(biāo)，并對(duì)目標(biāo)進(jìn)行粗跟蹤，將目標(biāo)導(dǎo)入精跟蹤探測(cè)器的視場(chǎng)。精跟蹤單元負(fù)責(zé)抑制平臺(tái)帶來(lái)的高頻擾動(dòng)，在小視場(chǎng)內(nèi)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精確跟蹤，確保系統(tǒng)視軸指向?qū)Ψ揭晥?chǎng)中心。中心控制器負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)粗跟蹤單元與精跟蹤單元之間的工作及測(cè)量目標(biāo)角位置、角速度及角加速度等信息。

2.5 信息處理分系統(tǒng)

信息處理分系統(tǒng)主要由A/D轉(zhuǎn)換器、延遲鎖定環(huán)、信道譯碼和處理、數(shù)據(jù)組幀和信道編碼、對(duì)外接口等部分組成；主要完成位同步環(huán)鎖定，信道編譯碼等任務(wù)。

3 衛(wèi)星激光通信的關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 捕獲、跟蹤與瞄準(zhǔn)技術(shù)

在星間激光通信中，ATP分系統(tǒng)的作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)光束的快速捕獲并穩(wěn)定跟瞄。由于兩個(gè)光通信終端相隔距離較遠(yuǎn)、時(shí)刻處于移動(dòng)狀態(tài)，為了確保通信成功，要求ATP分系統(tǒng)的跟瞄精度非常高，因此決定ATP分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)是星間激光通信系統(tǒng)中的一項(xiàng)非常關(guān)鍵且難度很大的工程技術(shù)。由于星間激光通信收發(fā)設(shè)備之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，以及存在著角速度和角加速度，與遠(yuǎn)程無(wú)線光通信所要求的極窄視場(chǎng)的捕獲、跟蹤與瞄準(zhǔn)相矛盾。另外，移動(dòng)平臺(tái)的姿態(tài)調(diào)整，跟蹤狀態(tài)下引入的平臺(tái)姿態(tài)變化和平臺(tái)隨機(jī)振動(dòng)等均對(duì)窄視場(chǎng)的穩(wěn)定跟瞄提出了嚴(yán)格的要求。系統(tǒng)信標(biāo)光的發(fā)散角在mrad量級(jí)，而信號(hào)光的發(fā)散角一般在幾十μrad量級(jí)，解決辦法除了提高對(duì)對(duì)方激光信號(hào)的捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)設(shè)備性能以外，還必須從整體系統(tǒng)角度綜合平衡各個(gè)功能單元的技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)。比如：（1）在接收機(jī)中使用穩(wěn)定的激光器、高透射率的光學(xué)天線，以提高發(fā)射和接收性能。（2）提高ATP自身平臺(tái)穩(wěn)定性能和提高平臺(tái)與設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的重量比值，以改善信號(hào)跟蹤與空間瞄準(zhǔn)精度。（3）提高信標(biāo)光引導(dǎo)精度（如程序控制引導(dǎo)）、增加特殊的信標(biāo)光設(shè)備和其他手段的實(shí)時(shí)引導(dǎo)手段（如微波），以減少目標(biāo)的快速捕獲時(shí)間。（4）采用提高相對(duì)位置測(cè)量精度、降低跟蹤誤差和復(fù)合精密跟蹤裝置。（5）采用粗精兩級(jí)復(fù)合軸聯(lián)用方式，以提高跟瞄性能。復(fù)合軸控制技術(shù)能較大地提高ATP跟瞄的性能。復(fù)合軸控制系統(tǒng)具體可分為以下幾個(gè)部分：粗跟蹤系統(tǒng)完成掃描、搜索、捕獲目標(biāo)的任務(wù)。粗跟蹤傳感器采用大視場(chǎng)的CCD，控制單元采用DSP作為核心控制器，實(shí)現(xiàn)控制算法和其他功能控制。絕對(duì)式編碼器構(gòu)成位置反饋和速度反饋，控制對(duì)象為力矩電機(jī)。精瞄準(zhǔn)系統(tǒng)完成精跟蹤的任務(wù)，精瞄準(zhǔn)機(jī)構(gòu)由精視場(chǎng)探測(cè)器（高幀頻CCD），數(shù)據(jù)控制器、線性高壓功率運(yùn)放及兩維壓電陶瓷模塊組成。

3.2 高功率光源和高速調(diào)制技術(shù)

激光通信的需求之一是超高速的數(shù)據(jù)傳輸，因此需要高碼率的調(diào)制技術(shù)。在遠(yuǎn)距離的衛(wèi)星和衛(wèi)星通信過(guò)程中由于距離較遠(yuǎn)所以需要高功率的激光光源。在國(guó)內(nèi)外大都采用極性相反的圓偏振光同時(shí)傳送和波分復(fù)用技術(shù)增加通信容量，采用激光二極管陣列技術(shù)和使用摻鉺光纖放大器（EDFA）技術(shù)來(lái)提高激光器的發(fā)射功率。EDFA的工作原理是在石英光纖的纖芯中摻入三價(jià)稀土金屬鉺元素，這種光纖在泵浦光的激勵(lì)下形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，然后在信號(hào)光的作用下產(chǎn)生受激輻射，放出與信號(hào)光完全相同的光子形成光的放大，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光功率的放大。

3.3 高靈敏度、高增益接收技術(shù)

星間激光通信系統(tǒng)中，光接收功率與光信號(hào)傳播距離的平方成反比，因此到達(dá)遠(yuǎn)距離接收端的光能量是非常微弱的。而噪聲干擾如日光、星光又相當(dāng)強(qiáng)，對(duì)于大氣層內(nèi)的激光通信，還會(huì)受到大氣及湍流的影響。為此，除了提高激光器的功率之外，還必須研制高靈敏度的微光探測(cè)器，對(duì)所接收的信號(hào)也要進(jìn)行濾波處理。

目前探測(cè)器的研究方向主要是針對(duì)高靈敏度、高增益的雪崩光電二極管探測(cè)器（APD）。APD作為激光接收器件具有高靈敏度、可靠性能高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在無(wú)線光通信系統(tǒng)中，QAPD作為跟蹤器件，具有精度高等特點(diǎn)，在空間激光交會(huì)雷達(dá)、空間光通信等領(lǐng)域得到了較多的應(yīng)用。

由于光接收端機(jī)收到的信號(hào)是十分微弱的，又加之在高背景噪聲的干擾情況下會(huì)導(dǎo)致接收端的信噪比（S/N）降低。為快速、精確地捕獲目標(biāo)和接收信號(hào)，通常采取兩方面的措施：一是提高接收端機(jī)的靈敏度，使其達(dá)到μW-pW量級(jí)；二是對(duì)所接收的信號(hào)進(jìn)行處理，如光信道上采用光窄帶濾波器（干涉濾光片或原子濾光器等）以抑制背景雜散光的干擾，在電信道上采用微弱信號(hào)檢測(cè)與處理技術(shù)。微光探測(cè)可以分為兩種：相干探測(cè)和非相干探測(cè)。目前相干探測(cè)可以達(dá)到10-11w。非相干探測(cè)也可以達(dá)到10-8w的級(jí)別。

4 結(jié)束語(yǔ)

空間激光通信的發(fā)展趨勢(shì)將向網(wǎng)絡(luò)化、小型化、智能化方向發(fā)展，衛(wèi)星激光通信的應(yīng)用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大，將建立GEO-GEO、GEO-LEO、LEO-LEO、LEO-地面等多種形式的激光通信鏈路。小衛(wèi)星星座的迅猛發(fā)展，使得人們對(duì)小衛(wèi)星星座的星間光通信更加重視，利用小衛(wèi)星間激光通信實(shí)現(xiàn)全球個(gè)人移動(dòng)通信將是未來(lái)全球個(gè)人通信的發(fā)展趨勢(shì)。

空間激光通信特點(diǎn)鮮明，優(yōu)點(diǎn)很多，未來(lái)軍民用前景廣闊。但是，作為一種新興通信模式，空間移動(dòng)光通信在技術(shù)和應(yīng)用上還有不少難點(diǎn)，需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)還很多，有必要加強(qiáng)基礎(chǔ)元器件和關(guān)鍵元器件的研發(fā)投入；有必要加強(qiáng)空間光通信各種應(yīng)用的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證工作；有必要加強(qiáng)光通信設(shè)備的衛(wèi)星搭載試驗(yàn)。另外，鑒于國(guó)外空間光通信技術(shù)的成熟，有必要積極借鑒國(guó)外的研究成果。以期在不久的將來(lái)初步形成我國(guó)激光通信的衛(wèi)星。

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作者簡(jiǎn)介：楊海濤（1968-），男，漢族，河北省保定市，研究生。