國外空間激光通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢*

王 燕，陳培永，宋義偉，付 森，?？∑?/p>

(1.上海航天信息研究所·上?！?01109；2. 上海無線電設(shè)備研究所·上?！?01109；3.上海衛(wèi)星工程研究所·上?！?01109)

0 引 言

隨著空間技術(shù)的不斷發(fā)展，空間激光通信在全球通信中的作用日漸明顯?？臻g激光通信，是利用激光單色性好、方向性強(qiáng)及功率密度大等良好的光束特性，實現(xiàn)以激光光波為載體、在空間(包括近地的大氣空間、臨近空間、LEO/GEO、星際空間、深空等)信道之間進(jìn)行信息交換的通信方式。近年來，隨著科學(xué)任務(wù)高速數(shù)據(jù)下行的需求越來越大，射頻通信已難以滿足高速數(shù)據(jù)的通信需求。激光通信具有傳輸速率更高、抗干擾性更強(qiáng)、體積更小等優(yōu)點。NASA早在上世紀(jì)80年代初期就提出了將激光通信應(yīng)用于深空探測的思想，并制定了一系列技術(shù)發(fā)展規(guī)劃[1-2]。此后，歐洲、日本等國家和地區(qū)在該領(lǐng)域開展了大量研究工作，在元器件的選擇、發(fā)射/接收組件的設(shè)計、跟瞄策略和通信方式等方面取得了很好的研究成果。本文主要探討了激光通信的技術(shù)特點，分析了各國激光通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與戰(zhàn)略規(guī)劃，重點研究了國外主要的幾項演示驗證試驗的情況。通過本文對國外激光通信技術(shù)的研究，期望對我國在該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展起到一定的啟示和借鑒作用。

1 激光通信的技術(shù)優(yōu)勢

空間激光通信是利用激光波長短、亮度高、高準(zhǔn)直特性實現(xiàn)飛行器之間高速數(shù)據(jù)交換的一種新方法，是有別于當(dāng)前被廣泛采用的星間射頻通信的一種新手段，它具有以下4個方面的優(yōu)點：

數(shù)據(jù)傳輸率高，通信容量大。星間光通信的載波頻率為1013～1015Hz，比微波通信高出幾個數(shù)量級，單通道就可提供高達(dá)10Gbps量級以上的數(shù)據(jù)傳輸率，遠(yuǎn)大于目前微波通信百Mbps的數(shù)據(jù)傳輸率。通過波分復(fù)用，數(shù)據(jù)傳輸率可以達(dá)到數(shù)百Gbps以上。

較小的發(fā)射功率需求。由于光束發(fā)散角遠(yuǎn)小于微波通信的波束發(fā)散角，所以星間光通信的天線增益遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于微波通信。

較小的收發(fā)射天線和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。光通信的工作波長比微波通信工作波長小3～5個量級，其系統(tǒng)的質(zhì)量和體積相對更小。

高保密性和抗干擾能力。與射頻通信不同，激光通信采用了點對點的通信模式，因而其具有高保密、抗干擾性強(qiáng)、抗截獲能力強(qiáng)的特點，在軍事領(lǐng)域中起到了越來越重要的作用。盡管將激光通信應(yīng)用于軍事領(lǐng)域會受到一定的限制(大氣、全天候、戰(zhàn)場環(huán)境等)，但將激光通信和射頻通信進(jìn)行復(fù)合模式工作，已經(jīng)成為未來軍事通信的趨勢。

表1給出了激光通信與微波通信的技術(shù)參數(shù)比對。

表1 微波通信與激光通信系統(tǒng)的比較Tab.1 Microwave Communication and Laser Communication Parameters Contrast

2 國外激光通信演示驗證試驗

2.1 深空激光通信

2.1.1 月球激光通信演示驗證(LLCD)

2005年，NASA委托MIT林肯實驗室開始進(jìn)行月球激光通信演示驗證試驗(Lunar Laser Communication Demonstration, LLCD)的研制，首次嘗試實現(xiàn)地基接收器與月球軌道器之間的高速激光通信。2013年，月球大氣與塵埃環(huán)境探測器(Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer，LADEE)攜帶LLCD通信終端發(fā)射升空[3]，LADEE的激光通信試驗如圖1所示。

圖1 LADEE的激光通信試驗Fig.1 Laser Communication Demonstration on LADEE

2013年11月，試驗取得了較大成功，星上終端捕獲到了地面發(fā)射的信標(biāo)光并成功進(jìn)行了跟蹤。之后，分別進(jìn)行了下行622Mbit/s、上行20Mbit/s的通信試驗，而且驗證了在不同天氣條件下的鏈路建立。試驗發(fā)現(xiàn)，在薄云天氣、小地平角、近太陽條件下，通信終端都成功地建立了激光鏈路，并且在上行20Mbit/s的試驗中，首次實現(xiàn)了全程無誤碼的傳輸。這是人類歷史上月地之間通信上行鏈路的最好成績。相比目前微波通道僅為1～2kbit/s的上行數(shù)據(jù)率，其提高是巨大的。

(1)試驗?zāi)繕?biāo)

? 驗證地-月距離(約為38萬km)下的激光通信技術(shù)；

? 利用激光信道實時傳輸月球探測器的高清圖像數(shù)據(jù)。

(2)技術(shù)挑戰(zhàn)

? 遠(yuǎn)距離(380000km)；

? 高數(shù)據(jù)率：上行：10～20Mbit/s(目前月-地間微波通道速率上行 1～10kbit/s)；下行：40～622Mbit/s；

? 驗證激光穿透薄云的通信能力(Cloud Turbulence)；

? 驗證地面站之間的切換技術(shù)；

? 驗證小地平角通信能力(SEP)；

? 驗證大地平角通信能力；

? 星上大數(shù)據(jù)量存儲與轉(zhuǎn)發(fā)能力(目前的星上轉(zhuǎn)發(fā)通道為39Mbit/s)。

(3)方案設(shè)計[4-5]

LLCD包括：星上終端(Lunar Laser Communication Space Terminal, LLST )、地面終端(Lunar Laser Communication Ground Terminal, LLGT)，以及操作中心(Lunar Laser Communication Operation Center，LLOC)。

星上終端的總質(zhì)量為32.8kg，功率為136.5W，由光學(xué)艙、電子艙和調(diào)制解調(diào)艙3部分組成，其主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

LADEE和激光通信終端如圖2所示。

LLCD試驗有3個地面接收系統(tǒng)，分別是MIT研制的LLGT(位于新墨西哥White Sands)、JPL設(shè)計的OCTL(位于加州)，以及ESA的LLOGS(位于西班牙Tenerife島)，如圖3所示。

表2 LLCD的指標(biāo)參數(shù)Tab.2 LLCD Main Parameters

圖2 LADEE和激光通信終端Fig.2 LADEE and Laser Communication Terminal

圖3 NASA月-地激光通信地面站分布圖(上圖為MIT- LLGT，左下為NASA-OCTL，右下為SPAIN-OGS)Fig.3 NASA Lunar Laser Communication Ground Station (Above: MIT-LLGT, Low-left: NASA-OCTL, Low-right: SPAIN-OGS)

LLGT為LLCD的主要地面終端，如圖4所示，這是一個移動型地面接收系統(tǒng)。其具有溫控外殼，高約4.5m，總質(zhì)量為7t，與目前的無線電通信地面天線相比，尺寸和質(zhì)量減少了約75%。LLCD的目標(biāo)之一是演示驗證多孔徑合成光信號收發(fā)技術(shù)。

圖4 月球激光通信地面終端(LLGT)Fig.4 Lunar Laser Communication Ground Terminal (LLGT)

2.1.2 火星激光通信演示驗證(MLCD)

NASA于2003年開始執(zhí)行火星激光通信驗證(MARS Laser Communication Demonstration，MLCD)項目，其目的是提供深空光學(xué)鏈路的早期經(jīng)驗[6]。該項目由NASA/哥達(dá)德航天飛行中心(GSFC)管理，其星上子系統(tǒng)由麻省理工學(xué)院(MIT)林肯實驗室(LL)研制，而地面子系統(tǒng)則由JPL和MIT-LL共同研制。星上終端計劃在火星通信軌道器(MTO)上進(jìn)行飛行試驗，該任務(wù)原定于2009年10月發(fā)射。MLCD項目于2004年10月成功完成了系統(tǒng)要求評審，又于2005年3-5月完成了星上終端與地面終端的初步設(shè)計評審。后來，由于NASA內(nèi)部的計劃變更，MLCD項目被中止。但是在MLCD項目進(jìn)行期間，深空光學(xué)通信要求的定義和設(shè)計是非常先進(jìn)的，該項目對來自空間的波束穩(wěn)定化、在地面上的有效光子計算與日間操作等各項關(guān)鍵技術(shù)都進(jìn)行了開發(fā)。

(1)試驗?zāi)繕?biāo)

? 演示火-地下行光通信鏈路，在可行的條件下，數(shù)據(jù)率為10～100Mbit/s；

? 使用激光下行通信鏈路傳輸火星探測器的科學(xué)數(shù)據(jù)，驗證數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)通道；

? 演示地球到火星的上行鏈路，數(shù)據(jù)率至少為10kbit/s；

? 最后驗證并收集在不同鏈路距離及不同天氣情況下的光通信系統(tǒng)性能數(shù)據(jù)。

(2)技術(shù)挑戰(zhàn)

? 超遠(yuǎn)距離地-火通信(0.2AU～2.7AU)；

? 高數(shù)據(jù)量需求：最大傳輸數(shù)據(jù)1.1Tbits/天(相當(dāng)于NASA火星探測軌道器1天的存儲數(shù)據(jù)量)；上行：100kbit/s～2Mbit/s；下行：0.7～260Mbit/s；

? 星上大數(shù)據(jù)量存儲與轉(zhuǎn)發(fā)能力(目前的星上轉(zhuǎn)發(fā)通道為39Mbit/s)。

(3)方案設(shè)計

MLCD包括星上終端(MLST)和地面移動終端(LLGT)2部分[7]，MLCD鏈路示意圖及激光通信終端布局如圖5所示。MLCD的質(zhì)量為38kg，平均功率不超過110W。下行鏈路的最大速率為260Mbit/s，上行鏈路的最大速率為2～292kbit/s，可抵抗20krad輻射。

圖5 MLCD鏈路示意圖及激光通信終端布局圖Fig.5 MLCD Communication Link and Onboard Terminal

星上終端(MLST)由光學(xué)機(jī)構(gòu)和電子控制機(jī)構(gòu)組成。光學(xué)機(jī)構(gòu)發(fā)射/接收口徑為30cm；束散角為15μrad；下行發(fā)射功率為0.5W。MSLT光學(xué)發(fā)射天線采用主動隔振的結(jié)構(gòu)設(shè)計，光學(xué)天線采用卡賽格倫鏡頭，由底座進(jìn)行主動隔振。電子艙采用疊板結(jié)構(gòu)，共由4部分組成：高速數(shù)據(jù)調(diào)制單元、模擬電路處理單元、數(shù)字電路處理單元、二次電源單元。MLST的構(gòu)型如圖6所示。

圖6 MLST的構(gòu)型Fig.6 The structure of MLST

地面終端包括2個地面站，一個為Hale望遠(yuǎn)鏡，位于帕洛馬山(美國加利福尼亞州西南部)，接收口徑為5.08m (200英寸)；第2個是LDES望遠(yuǎn)鏡，擁有2個轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)，每個結(jié)構(gòu)上安裝了2個口徑為0.8m的望遠(yuǎn)鏡，通過光纖耦合形式進(jìn)行光信號的發(fā)射和接收。MLCD地面接收望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)和參數(shù)如圖7、圖8所示。

圖7 MLCD地面接收望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)Fig.7 MLCD Ground Receiver Telescope

圖8 MLCD地面接收望遠(yuǎn)鏡的多孔徑接收Fig.8 MLCD Telescope Ground Receiver

2.2 星間激光通信

2.2.1 半導(dǎo)體星間鏈路試驗(GEO-LEO)

半導(dǎo)體激光星間鏈路試驗(Semiconductor laser Inter satellite Link Experiment，SILEX) 是世界上首個星間激光通信鏈路。SILEX系統(tǒng)的組成包括GEO 星上終端-ARTEMIS(ESA 2001)和LEO 星上終端-SPOT-4 (French 1998)，如圖9所示。作為SILEX計劃的重要組成部分，ARTEMIS搭載的激光通信終端成功同相距40000km的SPOT-4之間建立了激光鏈路，數(shù)據(jù)以50Mbit/s的速率從LEO發(fā)射到GEO。

圖9 左圖為SPOT-4上的星載終端，右圖為SPOT-4衛(wèi)星平臺Fig.9 (Left)Laser Communication Terminal on SPOT-4, (Right)SPOT-4 in Space

SILEX需要面對的主要技術(shù)挑戰(zhàn)是：建立激光通信終端空間應(yīng)用；直接調(diào)制與檢測自由空間激光通信；高數(shù)據(jù)率：上行 20Mbit/s，下行50Mbit/s。SILEX的主要技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 SILEX通信鏈路的指標(biāo)參數(shù)Tab.3 SILEX Link Parameters

2.2.2 ARTEMIS-OECETS (GEO-LEO)

2005年末， ARTEMIS又同JAXA光學(xué)通信工程試驗衛(wèi)星(Optical Inter-orbit Communication Engineering Test Satellite，OICETS)成功進(jìn)行了自由空間軌道間的激光通信試驗。星上搭載了由日本NEC東芝空間系統(tǒng)公司研制的通信終端“激光利用通信設(shè)備”(Laser Utilizing Communica-tions Equipment，LUCE)[8]。

(1)試驗?zāi)康?/p>

? 驗證大氣信道對相干鏈路的影響；

? 分析星間和星地海量信息的傳輸體制；

? 驗證零差BPSK相干通信技術(shù)的性能；

? 驗證系統(tǒng)的指向和跟蹤性能。

(2)方案設(shè)計

LUCE通信終端包含光學(xué)艙和電子艙2部分。光學(xué)艙包括1個安裝在兩軸驅(qū)動萬向架上的望遠(yuǎn)鏡，電子艙提供捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)的功能。光學(xué)天線如圖10所示，由1個直徑為26cm的中央饋源的卡賽格倫望遠(yuǎn)鏡組成。其采用的通信方式為相干光通信，調(diào)制方式為BPSK方式，檢測方式為零差相干檢測。OICETS 通信鏈路的指標(biāo)參數(shù)如表4所示，LUCE終端如圖10所示。

表4 ARTEMIS-OICETS通信鏈路的指標(biāo)參數(shù)Tab.4 ARTEMIS-OICETS Link Parameters

圖10 OICETS衛(wèi)星及其星上通信終端LUCEFig.10 Satellite and LUCE

2005年12月，ARTEMIS和OICETS進(jìn)行了星間激光通信鏈路試驗。本次試驗不僅成功進(jìn)行了激光通信試驗，而且成功完成了JAXA和ESA之間的雙向通信。2006年3月，LUCE終端與日本國家信息通信技術(shù)研究所地面光學(xué)站成功進(jìn)行了雙向光學(xué)通信實驗。同年6月，LUCE終端與德宇航移動光學(xué)地面站(OGS)實現(xiàn)了光通信實驗，在國際上首次實現(xiàn)了低軌衛(wèi)星與光學(xué)地面站的激光通信試驗，星間通信操作圖如圖11所示。本次試驗計劃的成功進(jìn)一步推動了在星間通信及深空探測中采用光通信技術(shù)的可能。

圖11 ARTEMIS-OICETS星間通信操作圖Fig.11 ARTEMIS-OICETS inter-satellite Communication

2.2.3 中繼激光通信演示驗證(GEO-地面)[9]

繼月-地激光通信試驗(LLCD)后，NASA進(jìn)行了激光通信中繼演示衛(wèi)星(Laser Relay Communication Demonstration，LRCD)項目。星上通信終端和衛(wèi)星平臺如圖12所示。LCRD的主要任務(wù)是發(fā)射一顆攜帶激光通信終端的衛(wèi)星到同步軌道，建立同步軌道與地面站之間的通信鏈路。此次項目的主要關(guān)鍵技術(shù)大部分延續(xù)了月-地激光通信技術(shù)。

圖12 星上通信終端和衛(wèi)星平臺Fig.12 Laser Communication Terminal and Satellite

(1)試驗?zāi)繕?biāo)

? 在GEO實現(xiàn)上行10M～20Mbit/s、下行2.88Gbit/s的傳輸能力；

? 驗證深空激光通信關(guān)鍵技術(shù)。

(2)技術(shù)挑戰(zhàn)

? 驗證高軌及近地軌道通信終端對地面終端的捕獲技術(shù)；

? 星上大數(shù)據(jù)量存儲與轉(zhuǎn)發(fā)能力；

? 驗證調(diào)制解調(diào)及跟蹤等技術(shù)；

? 驗證DPSK技術(shù)及單光子計數(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。

2.2.4 TerraSAR-NFIRE(LEO-LEO)

DLR資助的著名項目LCTSX于2002年11月啟動，其目的是通過GEO與GEO、GEO與LEO及GEO與地面站之間的激光鏈路驗證在自由空間實現(xiàn)相干通信的可靠性。用于星間激光通信的2個終端LCTs(Laser Communication Terminal)，分別于2007年4月23日搭載美國的LEO衛(wèi)星NFIRE和于2007年6月14日搭載德國的LEO衛(wèi)星TerraSAR-X發(fā)射升空，LCT系統(tǒng)如圖13所示。LCTSX 星間激光通信試驗的主要參數(shù)(LEO-LEO)如表5所示。隨后，在2008年2月21日成功進(jìn)行了國際上首次星間相干激光通信實驗。

圖13 安裝在TerraSAR-X艙外的LCT系統(tǒng)Fig.13 LCT Terminal on TerraSAR-X

TerraSAR-XNFIRE發(fā)射時間2007-6-152007-4-24軌道高度/kmLEO,508LEO,350通信距離/km<6000<6000通信碼速率/(Gbit/s)5.65.6終端質(zhì)量/kg3535功耗/W120120天線口徑/mm125125通信波長/nm10641064調(diào)制方式BPSKBPSK

之后，ESA為了推進(jìn)星間激光通信的實用化，制定了歐洲數(shù)據(jù)中心衛(wèi)星(European Data Relay Satellite，EDRS)計劃：通過中繼星與地面站之間的微波通信，將星間高速光通信與地面通信連接起來，形成一個混合式的通信網(wǎng)絡(luò)，目的是利用星間的高速激光通信來提升整個通信網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸能力。

3 激光通信技術(shù)的發(fā)展趨勢

3.1 激光通信技術(shù)由技術(shù)驗證向工程應(yīng)用階段發(fā)展

激光通信技術(shù)正在由技術(shù)驗證階段、技術(shù)定型階段向工程應(yīng)用階段方向發(fā)展。其技術(shù)發(fā)展方向如下：

? 技術(shù)驗證階段：演示驗證星上終端技術(shù)、星地對接技術(shù);

? 技術(shù)定型階段：建立技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，包括：與平臺的數(shù)據(jù)交換技術(shù)；瞄準(zhǔn)、捕獲、跟蹤(Pointing，Acquiring and Tracking，PAT)技術(shù)；數(shù)據(jù)編碼技術(shù)(OOK/PPM、BPSK、DPSK)；高速光信號調(diào)制和解調(diào)技術(shù)等；新型的輕量化終端結(jié)構(gòu)技術(shù);

? 工程應(yīng)用階段：光學(xué)終端研制、光學(xué)終端飛行驗證。

3.2 通信速率由低碼速率向高碼速率方向發(fā)展

通信速率不斷提高，已經(jīng)從最初的2Mbit/s發(fā)展到當(dāng)前的10Gbit/s，未來還將發(fā)展到百吉量級100Gbit/s，逐漸發(fā)揮出了空間激光通信的技術(shù)優(yōu)勢。早期激光通信主要集中在800nm光波波段，該波段各種技術(shù)相對成熟、器件性能可靠、成本較低，但是其主要的缺點是在該波段上應(yīng)用的激光器及Si-APD探測器的帶寬有限。因此，其通信碼率較低，一般小于1Gbit/s。目前，采用1550nm波段進(jìn)行激光通信，可以充分利用1550nm波段激光發(fā)射、接收組件高帶寬的特點，并將地面光纖成熟技術(shù)直接應(yīng)用到通信上，實現(xiàn)通信碼率的提高。

3.3 激光通信與激光測距復(fù)合使用

由于激光測距與激光通信在系統(tǒng)組成、信號捕獲、處理方式等方面，具有一定的相似性，因此，可以把它們復(fù)合到一起，實現(xiàn)一個功能整體，用于完成測距與通信功能。2005年John J．Degnan提出了SLR2000衛(wèi)星激光測距站的改造方案，將激光測距和激光通信結(jié)合起來，形成了復(fù)合系統(tǒng)的最初構(gòu)想。此后，俄羅斯完成了在軌通信/測距復(fù)合實驗。2013年，美國進(jìn)行的月地激光通信試驗就帶有測距功能。歐洲LISA (Laser Interferometer Space Antenna)通過距離精密測量反演地球重力波場，利用相干激光外差完成超遠(yuǎn)距離下精密距離測量，同時兼顧了通信功能。

3.4 激光通信終端將朝著小型化、輕量化方向發(fā)展

隨著微納衛(wèi)星的迅猛發(fā)展，激光通信終端也將朝著小型化和輕量化方向發(fā)展。通過縮小終端口徑、采用輕質(zhì)材料、提升加工精度等新型技術(shù)，使得終端越來越小型化和輕量化。各國在終端小型化方面也開展了一系列嘗試：日本NICT于2018年發(fā)射了超小型激光通信終端VSOTA，并將其運行于太陽同步軌道，其質(zhì)量小于1kg，功耗小于10W；歐洲也于2018年發(fā)射了OPTEL-u微型激光終端，并將其運行于LEO，其質(zhì)量為8kg，功耗為45W[10]。上述通信終端的優(yōu)點是體積小、質(zhì)量輕、低成本，能夠滿足未來微納衛(wèi)星和立方星的發(fā)展需求。

3.5 激光通信成為深空探測活動的主要通信方式

隨著對科學(xué)任務(wù)返回速率要求的不斷提高，自由空間光學(xué)通信對于滿足來自深空的高數(shù)據(jù)速率鏈路具有很大的潛力，未來深空領(lǐng)域?qū)⒅鸩綉?yīng)用光學(xué)通信。NASA和ESA將深空激光通信列入研究規(guī)劃：2020年，歐洲計劃執(zhí)行AIM計劃，搭載激光通信終端OPTEL-D，用7500萬千米超遠(yuǎn)距離進(jìn)行激光通信試驗；2023年，美國計劃發(fā)射火星軌道器的深空激光通信終端DSOC，在5500萬km處進(jìn)行火星對地球的深空激光通信[10]。深空激光通信可實現(xiàn)超遠(yuǎn)距離科學(xué)信息的傳輸，能滿足科學(xué)載荷大容量、高速率的傳輸要求。

4 結(jié) 論

當(dāng)前，無線電通信的頻率資源和傳輸速率已經(jīng)很難滿足未來大容量的科學(xué)任務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸要求。激光通信具有傳輸速率更高、抗干擾性更強(qiáng)、體積更小等特點，能夠突破傳統(tǒng)射頻通信傳輸速率低的瓶頸。本文通過調(diào)研國外已開展的深空激光通信和星間激光通信演示驗證試驗的情況，分析了當(dāng)前激光通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)難點?？梢灶A(yù)測，在未來的星間、星地，以及面向深空的空間通信主干網(wǎng)中，大容量的數(shù)據(jù)傳輸通道一定會由光通信技術(shù)來實現(xiàn)，激光通信將成為未來發(fā)展趨勢。我國也應(yīng)充分借鑒國外的發(fā)展經(jīng)驗，盡快建立起將微波通信和激光通信相結(jié)合的空間信息網(wǎng)絡(luò)。