空間激光通信標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)研究

陳誠(chéng) 宋雪舟 范丹丹 孫潔

（1 北京空間科技信息研究所 2 中國(guó)人民解放軍32039部隊(duì)）

隨著我國(guó)空間技術(shù)的快速發(fā)展和產(chǎn)業(yè)規(guī)模的快速增長(zhǎng)，標(biāo)準(zhǔn)作為技術(shù)法規(guī)將在其中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。為探索研究我國(guó)空間激光通信標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)思路，對(duì)空間激光通信標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)進(jìn)行需求分析，提出對(duì)我國(guó)空間激光通信標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)劃設(shè)計(jì)，能為我國(guó)空間激光通信技術(shù)發(fā)展與標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)提供借鑒與參考。

1 引言

隨著空間應(yīng)用的不斷拓展，航天任務(wù)對(duì)信息傳輸帶寬的需求越來(lái)越高。無(wú)論是近地還是深空，傳統(tǒng)的微波通信都已基本達(dá)到技術(shù)極限。此外，由于航天任務(wù)逐年增多，微波頻譜資源也日益緊張。而空間激光通信具有頻帶寬、容量大、終端體積小、質(zhì)量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，是應(yīng)對(duì)各類(lèi)航天任務(wù)高速率、大容量通信需求的最佳途徑，因而成為近年來(lái)航天領(lǐng)域廣受關(guān)注的熱點(diǎn)?，F(xiàn)階段，我國(guó)正在開(kāi)展空間激光通信領(lǐng)域的預(yù)研工作，部分技術(shù)已通過(guò)在軌試驗(yàn)得到驗(yàn)證，具備一定的技術(shù)基礎(chǔ)。同時(shí)，空間激光通信在導(dǎo)航、寬帶通信、數(shù)據(jù)中繼等領(lǐng)域的工程需求也相對(duì)明確。目前，我國(guó)還沒(méi)有開(kāi)展該領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化工作，與國(guó)外相比存在較大差距。本文將在分析該領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)需求的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)系統(tǒng)建設(shè)的實(shí)際需求，提出我國(guó)如何開(kāi)展該領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)研究工作的構(gòu)想。

2 標(biāo)準(zhǔn)需求分析

大氣觀測(cè)與應(yīng)用

空間激光通信本質(zhì)是以光作為媒介的通信手段，適用于星地通信和星間通信。對(duì)于星間通信而言，光只在真空環(huán)境中傳輸，因此具有很好的傳輸特性。對(duì)于星地通信而言，光需要穿過(guò)大氣層，期間要受到空氣、云霧等因素的影響，會(huì)在傳輸過(guò)程中產(chǎn)生較大的損耗。由于星地通信受天氣影響較大，因此需要在全球范圍內(nèi)建立地面站網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)合理布局保證始終有地面站處于“可見(jiàn)”狀態(tài)，能持續(xù)進(jìn)行星地間的數(shù)據(jù)交互。

大氣參數(shù)觀測(cè)與分析是空間激光通信領(lǐng)域重要的基礎(chǔ)性研究工作，貫穿了空間激光通信系統(tǒng)研制和應(yīng)用，是系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中進(jìn)行站址選擇和通信鏈路預(yù)算，以及在軌應(yīng)用過(guò)程中進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理和實(shí)時(shí)信道切換等工作的前提條件。需要通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)確定大氣傳輸模型，統(tǒng)一大氣特征參數(shù)的測(cè)量方法和信道傳輸條件的預(yù)測(cè)方法，明確天氣條件的判據(jù)，以指導(dǎo)和規(guī)范各項(xiàng)工作的開(kāi)展。

通信協(xié)議

通信協(xié)議即通信實(shí)體之間完成信息交換所必須遵循的規(guī)則和約定，是實(shí)現(xiàn)通信的基礎(chǔ)。通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)是空間激光通信的頂層標(biāo)準(zhǔn)，是后續(xù)確定工程技術(shù)方案、開(kāi)展終端產(chǎn)品研制的依據(jù)，使用空間激光通信技術(shù)開(kāi)展航天任務(wù)，首先需要確定統(tǒng)一的通信協(xié)議。

空間通信采用了開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型（OSI）提出的分層思想，分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層及應(yīng)用層。其中，網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層主要針對(duì)數(shù)據(jù)的交互和操作，對(duì)于各種通信方式具有通用性?？臻g激光通信作為一種全新的通信方式，其特殊性主要體現(xiàn)在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，涉及激光波長(zhǎng)、捕獲跟蹤、極化、調(diào)制、同步、信道編碼等方面的技術(shù)要求。

空間通信協(xié)議模型

目前，空間激光通信針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)了高光子效率體制（HPE）、低復(fù)雜度體制（LC）以及高數(shù)據(jù)速率體制（HDR）三種技術(shù)體制。其中，高光子效率體制主要用于深空探測(cè)領(lǐng)域，即具有超長(zhǎng)通信距離、功率嚴(yán)重受限的應(yīng)用場(chǎng)景。低復(fù)雜度體制以低軌衛(wèi)星直接對(duì)地?cái)?shù)據(jù)傳輸作為主要應(yīng)用場(chǎng)景，同時(shí)也適用于星間通信。高數(shù)據(jù)速率體制主要用于基于地球同步軌道（GEO）衛(wèi)星的星間鏈路和星地鏈路，是目前應(yīng)用場(chǎng)景最廣泛、最具市場(chǎng)前景的技術(shù)體制。由于前期技術(shù)路線選擇的原因，歐洲航天局（ESA）和美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）分別提出了基于1064nm波長(zhǎng)的相干二進(jìn)制相移鍵控（BPSK）調(diào)制體制，以及基于1550nm波長(zhǎng)的非相干差分相移鍵控（DPSK）調(diào)制體制等兩種互不兼容的提案。我國(guó)也將主要精力聚焦在高數(shù)據(jù)速率體制上，并通過(guò)海洋二號(hào)、實(shí)踐十三號(hào)、北斗三號(hào)等衛(wèi)星對(duì)兩種技術(shù)方案進(jìn)行了在軌驗(yàn)證。目前，已基本確定技術(shù)方案及相關(guān)技術(shù)要求，因此需要通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)確定空間激光通信的通信協(xié)議，建立統(tǒng)一的技術(shù)體制，以指導(dǎo)后續(xù)工程研制工作的開(kāi)展，這也是我國(guó)目前亟待解決的問(wèn)題。

工程建設(shè)

空間激光通信與傳統(tǒng)的微波通信在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)層面存在較大差異。在引入空間激光通信后，現(xiàn)有的工程建設(shè)方案將不能完全適用，未來(lái)將在確定的技術(shù)體制下，從系統(tǒng)總體層面針對(duì)這一全新的通信技術(shù)手段進(jìn)行各大系統(tǒng)之間的接口協(xié)調(diào)，以及整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工作。為有效指導(dǎo)和規(guī)范未來(lái)工程建設(shè)工作的開(kāi)展，一方面需要針對(duì)衛(wèi)星與衛(wèi)星之間、衛(wèi)星與地面站之間、地面站與地面站之間的接口開(kāi)展系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)研究，另一方面需要針對(duì)星地鏈路預(yù)算、星間鏈路搭建、衛(wèi)星組網(wǎng)、地面站站址選擇和組網(wǎng)等內(nèi)容開(kāi)展系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)研究，同時(shí)還需要針對(duì)地面站網(wǎng)聯(lián)試、激光通信終端地面對(duì)接試驗(yàn)、衛(wèi)星在軌測(cè)試、衛(wèi)星組網(wǎng)驗(yàn)證等內(nèi)容開(kāi)展系統(tǒng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)研究。

產(chǎn)品

實(shí)現(xiàn)空間激光通信的實(shí)體是激光通信終端，是一種極其復(fù)雜的產(chǎn)品，根據(jù)工作環(huán)境和裝載平臺(tái)的不同，可分為星載激光通信終端和地面激光通信終端。其核心功能包括：高功率光源、高碼率調(diào)制解調(diào)、光束準(zhǔn)直整形、光信號(hào)探測(cè)接收、捕獲跟蹤等。

激光通信終端由多臺(tái)單機(jī)設(shè)備組成，由于設(shè)計(jì)理念不同，不同廠商研制的激光通信終端在模塊劃分上可能存在較大差異。為了避免出現(xiàn)產(chǎn)品規(guī)格多樣、重復(fù)研制等問(wèn)題，需要運(yùn)用裝備“三化”（通用化、系列化、組合化）的理念和方法進(jìn)行產(chǎn)品型譜規(guī)劃。同時(shí)，還需要針對(duì)型譜簡(jiǎn)表中梳理出的產(chǎn)品種類(lèi)和規(guī)格開(kāi)展進(jìn)一步的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)研究，以規(guī)范產(chǎn)品研制。

產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)各類(lèi)激光通信終端及其組成的單機(jī)設(shè)備，包括星上產(chǎn)品和地面產(chǎn)品，主要用于指導(dǎo)工程總體和用戶(hù)進(jìn)行產(chǎn)品采購(gòu)和驗(yàn)收。因此，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)劃需要反映各級(jí)產(chǎn)品的“三化”發(fā)展規(guī)劃，并體現(xiàn)星上產(chǎn)品和地面產(chǎn)品在性能指標(biāo)、對(duì)外接口、環(huán)境適應(yīng)性等方面的差異。開(kāi)展產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)研究需要系統(tǒng)梳理未來(lái)多種型號(hào)對(duì)每一類(lèi)激光終端的數(shù)量需求、性能指標(biāo)要求，針對(duì)激光通信終端建立系列基線，形成配置方案。同時(shí)，還需要針對(duì)單機(jī)設(shè)備進(jìn)行產(chǎn)品特征參數(shù)選取、產(chǎn)品規(guī)格優(yōu)化等方面的研究，建立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)，開(kāi)展對(duì)應(yīng)的型譜規(guī)劃，針對(duì)每一型單機(jī)設(shè)備制定具體的產(chǎn)品規(guī)范類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。

在軌應(yīng)用

衛(wèi)星在軌交付后，如何更好地使用衛(wèi)星也是需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。衛(wèi)星在軌運(yùn)行過(guò)程中，一方面受衛(wèi)星軌道周期性、姿軌控誤差等因素的影響，另一方面受設(shè)備裝配精度、熱形變等因素的影響，星載激光通信終端的指向會(huì)發(fā)生一定程度的變化?？臻g激光通信對(duì)于指向精度要求極高，上述誤差將嚴(yán)重影響星載激光通信終端之間的捕獲與跟蹤，造成系統(tǒng)性能的下降，需要定期對(duì)星載激光通信終端的指向進(jìn)行校準(zhǔn)，確保系統(tǒng)工作的連續(xù)性和穩(wěn)定性。指向精度的標(biāo)定和校準(zhǔn)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“標(biāo)?！保┳鳛樾l(wèi)星在軌使用過(guò)程中的一項(xiàng)重要工作，需要規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)具體工作的開(kāi)展。

另外，鏈路建立是中繼衛(wèi)星系統(tǒng)工作過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。相比于微波通信，激光通信的波束更窄、對(duì)指向精度要求更高，鏈路建立的過(guò)程更復(fù)雜，建鏈時(shí)間也更長(zhǎng)。空間激光通信涉及星地鏈路和星間鏈路兩種鏈路，兩種鏈路的應(yīng)用場(chǎng)景和約束條件差異較大。其中，星間鏈路需要考慮衛(wèi)星之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)跟蹤；星地鏈路需要考慮星地的實(shí)時(shí)信道條件，進(jìn)行星地鏈路的動(dòng)態(tài)切換。這對(duì)衛(wèi)星的任務(wù)規(guī)劃和操縱控制提出了較高的要求，需要規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)具體工作的開(kāi)展。

3 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃設(shè)計(jì)思考

通過(guò)對(duì)空間激光通信標(biāo)準(zhǔn)需求的分析，同時(shí)結(jié)合該領(lǐng)域國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)研究情況，提出了我國(guó)空間激光通信標(biāo)準(zhǔn)體系的基本框架，包括大氣觀測(cè)與應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)、通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)、工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、在軌應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)五個(gè)模塊。

大氣觀測(cè)與應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)

大氣觀測(cè)與應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)屬于通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。大氣參數(shù)觀測(cè)與分析是空間激光通信領(lǐng)域重要的基礎(chǔ)性研究工作，只有建立起大氣通用傳輸模型標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一大氣特征參數(shù)的測(cè)量方法、信道傳輸標(biāo)準(zhǔn)，才能保證空間激光通信高效運(yùn)行。

空間激光通信標(biāo)準(zhǔn)體系框架

1) 通用傳輸模型標(biāo)準(zhǔn)：廣泛開(kāi)展國(guó)際合作，充分借鑒國(guó)際通用的傳輸模型，如國(guó)際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢(xún)委員會(huì)（CCSDS）的空間數(shù)據(jù)傳輸模型，使不同研制單位的傳輸模型互聯(lián)互通互操作。

譬如，新華社曾經(jīng)報(bào)道，中國(guó)電力科學(xué)研究院原黨組書(shū)記、副院長(zhǎng)鄧永輝，利用此前擔(dān)任國(guó)網(wǎng)青海省電力公司總經(jīng)理、黨委副書(shū)記及國(guó)家電網(wǎng)公司生產(chǎn)技術(shù)部（運(yùn)維檢修部）主任的職務(wù)之便，先后收受3家公司價(jià)值456萬(wàn)余元的財(cái)物，被法院以受賄罪判處有期徒刑10年。

2) 大氣特征參數(shù)的測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)：對(duì)影響激光信號(hào)在星地之間傳輸?shù)拇髿馓卣鲄?shù)及其影響程度進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，固化已有經(jīng)驗(yàn)，形成可復(fù)制、可推廣的測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)。

3) 大氣信道傳輸標(biāo)準(zhǔn)：對(duì)大氣特征參數(shù)的測(cè)量數(shù)據(jù)如何開(kāi)展信道條件預(yù)測(cè)、信道條件預(yù)測(cè)結(jié)果如何開(kāi)展實(shí)時(shí)信道切換進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，固化已有經(jīng)驗(yàn)，形成可復(fù)制、可推廣的信道傳輸標(biāo)準(zhǔn)。

通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)

通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)屬于頂層標(biāo)準(zhǔn)?？臻g激光通信領(lǐng)域的通信協(xié)議具有特殊性，需重點(diǎn)規(guī)劃物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

1) 物理層通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)：綜合考慮不同應(yīng)用場(chǎng)景在通信距離、通信速率、通信鏈路等方面的差異，對(duì)物理層所涉及通信波長(zhǎng)、通道特性、捕獲跟蹤、調(diào)制解調(diào)等方面的技術(shù)要求，數(shù)據(jù)鏈路層所涉及的各類(lèi)信道編碼及其參數(shù)設(shè)置的要求等進(jìn)行規(guī)定，規(guī)劃物理層通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

2)數(shù)據(jù)鏈路層通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)：綜合考慮不同應(yīng)用場(chǎng)景在通信距離、通信速率、通信鏈路等方面的差異，對(duì)物理層所涉及通信波長(zhǎng)、通道特性、捕獲跟蹤、調(diào)制解調(diào)等方面的技術(shù)要求，數(shù)據(jù)鏈路層所涉及的各類(lèi)信道編碼及其參數(shù)設(shè)置的要求等進(jìn)行規(guī)定，規(guī)劃數(shù)據(jù)鏈路層通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)

工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)屬于具體實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃基于4點(diǎn)要求。

2) 地面站建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)：對(duì)如何開(kāi)展空間激光通信地面站的設(shè)計(jì)工作進(jìn)行規(guī)定，包括外界約束條件、站址選擇要求和流程、地面站升級(jí)改造接口等內(nèi)容。建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到地面站一站多用，減低生產(chǎn)成本，避免重復(fù)建設(shè)。

3) 鏈路試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)：對(duì)星載激光通信終端和地面站的入網(wǎng)驗(yàn)證試驗(yàn)方法進(jìn)行規(guī)定，包括新建地面站與在軌星載激光通信終端之間的對(duì)接試驗(yàn)、星載激光通信終端發(fā)射前與在軌星載激光通信終端之間的對(duì)接試驗(yàn)、星載激光通信終端發(fā)射前與地面站之間的對(duì)接試驗(yàn)等三類(lèi)試驗(yàn)。

4) 在軌應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)：對(duì)星載激光通信終端的在軌測(cè)試方法進(jìn)行規(guī)定，包括星間鏈路測(cè)試和星地鏈路測(cè)試兩類(lèi)測(cè)試。

產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)

產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)屬于具體實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃基于星載終端產(chǎn)品和地面終端產(chǎn)品。

1) 星載終端產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)：綜合考慮不同的任務(wù)要求，統(tǒng)一規(guī)劃終端產(chǎn)品的種類(lèi)，建立星載終端產(chǎn)品的型譜化產(chǎn)品，滿(mǎn)足多種應(yīng)用場(chǎng)景。分別對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景星載激光通信終端的技術(shù)要求及其對(duì)應(yīng)的檢驗(yàn)方法作出規(guī)定，技術(shù)要求包括終端產(chǎn)品本身工作波長(zhǎng)、捕獲概率、捕獲時(shí)間、接收靈敏度、調(diào)制方式、信息速率、誤碼率等，也包括對(duì)外接口、環(huán)境適應(yīng)性、電磁兼容性、可靠性、安全性等與在軌工作環(huán)境密切相關(guān)的技術(shù)要求。

2) 地面終端產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)：綜合考慮不同的任務(wù)要求，統(tǒng)一規(guī)劃終端產(chǎn)品的種類(lèi)，建立地面終端產(chǎn)品的型譜化產(chǎn)品，滿(mǎn)足多種應(yīng)用場(chǎng)景。與星載終端相對(duì)應(yīng)，分別對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景地面激光通信終端的技術(shù)要求及其對(duì)應(yīng)的檢驗(yàn)方法作出規(guī)定。

在軌應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)

在軌應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)屬于具體實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃基于激光通信的“能收到、很好用”的原則。

1) 星間鏈路通信處理方法標(biāo)準(zhǔn)：對(duì)衛(wèi)星之間的激光通信鏈路建立所涉及的組織機(jī)構(gòu)、操作實(shí)施等內(nèi)容進(jìn)行規(guī)定，包括低軌衛(wèi)星之間、高軌衛(wèi)星之間、高軌衛(wèi)星與低軌衛(wèi)星之間三種場(chǎng)景。

2) 星地鏈路通信處理方法標(biāo)準(zhǔn)：對(duì)衛(wèi)星與地面站之間的激光通信鏈路建立所涉及的組織機(jī)構(gòu)、操作實(shí)施等內(nèi)容進(jìn)行規(guī)定，包括低軌衛(wèi)星和高軌衛(wèi)星兩種場(chǎng)景。

3) 激光通信終端在軌處理方法標(biāo)準(zhǔn)：對(duì)星載激光通信終端和地面激光通信終端在軌標(biāo)校的時(shí)機(jī)、條件、標(biāo)校系統(tǒng)、標(biāo)校實(shí)施流程，以及標(biāo)校所涉及的具體操作、數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容進(jìn)行規(guī)定，包括地面標(biāo)校和星上自標(biāo)校兩種實(shí)現(xiàn)方式。

4 結(jié)束語(yǔ)

標(biāo)準(zhǔn)體系的規(guī)劃和建設(shè)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要考慮型號(hào)研制的實(shí)際情況、工程應(yīng)用的需求以及技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)；同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)體系的規(guī)劃和建設(shè)還是一個(gè)逐步完善的過(guò)程，需要根據(jù)新技術(shù)、新產(chǎn)品、新需求的出現(xiàn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)體系進(jìn)行修訂和優(yōu)化。開(kāi)展空間激光通信標(biāo)準(zhǔn)研究并制定一套完整的標(biāo)準(zhǔn)，一方面可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)建立行業(yè)準(zhǔn)入門(mén)檻，從而規(guī)范行業(yè)的發(fā)展；另一方面還能通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)推動(dòng)空間激光通信終端的產(chǎn)品“三化”，從而縮短產(chǎn)品的研制周期，使得企業(yè)可以把更多的經(jīng)費(fèi)和精力放在技術(shù)的創(chuàng)新上。此外，空間激光通信作為連接星地、星間的重要技術(shù)手段，技術(shù)體制和接口的標(biāo)準(zhǔn)化也同樣有利于規(guī)范空間激光通信終端自身的研制。