衛(wèi)星光通信關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展態(tài)勢(shì)分析

崔瀟

(中國(guó)信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所，北京 100191)

0 引言

伴隨著5G的正式商用，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)組織對(duì)6G的研究布局也已陸續(xù)開(kāi)啟。6G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍更加廣泛，將從地球進(jìn)一步延伸到太空，實(shí)現(xiàn)地面、衛(wèi)星和機(jī)載網(wǎng)絡(luò)等的無(wú)縫連接。6G網(wǎng)絡(luò)傳輸速率將達(dá)到5G網(wǎng)絡(luò)的10倍以上，峰值速率可達(dá)100 Gbit/s～1 Tbit/s；時(shí)延則比5G網(wǎng)絡(luò)縮短10倍，低至0.1 ms[1]。如何突破當(dāng)前5G光纖網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的限制，實(shí)現(xiàn)空間、海洋等更加復(fù)雜的業(yè)務(wù)傳輸場(chǎng)景，是未來(lái)6G技術(shù)需要突破的難題。

不同于傳統(tǒng)的微波衛(wèi)星通信，衛(wèi)星光通信的原理是直接通過(guò)激光在大氣或太空傳輸，從而實(shí)現(xiàn)信息的傳遞。與微波相比，激光具備多個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：激光通信可利用的頻帶寬度超過(guò)GHz，高達(dá)微波頻帶寬度總和的一萬(wàn)多倍；激光通信使用頻段不受限制；通信設(shè)備的尺寸與波長(zhǎng)成正比，因此激光衛(wèi)星通信設(shè)備的尺寸和重量遠(yuǎn)低于微波衛(wèi)星通信設(shè)備，靈活性與可擴(kuò)展性強(qiáng)；激光光束發(fā)散角小、方向性好，通信鏈路不易被截?cái)?，具有較強(qiáng)的保密性。但在具備眾多優(yōu)越條件的同時(shí)，激光通信鏈路的穩(wěn)定性較低是衛(wèi)星光通信的缺點(diǎn)之一。造成衛(wèi)星光通信這一缺點(diǎn)的原因是由于信號(hào)在傳輸過(guò)程中無(wú)法改變鏈路方向，因此極易受障礙物的阻擋，而在通過(guò)大氣傳輸?shù)那闆r下將受到大氣條件的影響；且通信鏈路兩端平臺(tái)易受空間環(huán)境的影響產(chǎn)生震動(dòng)和位移，從而降低了鏈路的穩(wěn)定性?？傮w而言，衛(wèi)星光通信大帶寬、組網(wǎng)靈活、保密性好等優(yōu)勢(shì)使其具備成為未來(lái)6G組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)之一的潛力。

1 衛(wèi)星光通信發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 試驗(yàn)驗(yàn)證項(xiàng)目開(kāi)展現(xiàn)狀

衛(wèi)星光通信的研究最早可以追溯到1967年，隨著激光器等硬件設(shè)備的發(fā)展，衛(wèi)星光通信的理論研究逐漸深入。在經(jīng)歷了早期理論研究階段之后，20世紀(jì)70年代，各研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始開(kāi)展包括器件、終端、系統(tǒng)設(shè)計(jì)在內(nèi)的系統(tǒng)性研究；20世紀(jì)80年代開(kāi)展的衛(wèi)星光通信研究主要針對(duì)星地鏈路；到20世紀(jì)90年代后才逐漸拓展到太空中衛(wèi)星間的光通信鏈路。在早期發(fā)展階段中，衛(wèi)星光通信的工程試驗(yàn)大多為點(diǎn)到點(diǎn)，直到近年來(lái)商用項(xiàng)目的部署中才出現(xiàn)了星間的大規(guī)模應(yīng)用。圖1以時(shí)間線的形式展示了國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星光通信驗(yàn)證項(xiàng)目的開(kāi)展?fàn)顩r。

圖1 國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星光通信驗(yàn)證項(xiàng)目開(kāi)展?fàn)顩r

由于技術(shù)難點(diǎn)多、設(shè)備研發(fā)價(jià)格高、試驗(yàn)條件復(fù)雜等因素，衛(wèi)星光通信項(xiàng)目的研發(fā)對(duì)國(guó)家的科研能力、經(jīng)濟(jì)實(shí)力要求較高。美國(guó)、歐洲等國(guó)家/地區(qū)早在20世紀(jì)就憑借強(qiáng)大的綜合實(shí)力和資金支持，開(kāi)始對(duì)衛(wèi)星光通信進(jìn)行研究、開(kāi)展試驗(yàn)驗(yàn)證項(xiàng)目，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期積累，在早期就已實(shí)現(xiàn)了技術(shù)復(fù)雜度更高的星間鏈路試驗(yàn)。

日本是衛(wèi)星光通信領(lǐng)域的后起之秀，雖然起步較晚，但技術(shù)發(fā)展和項(xiàng)目開(kāi)展迅速，并且與歐洲合作密切，已經(jīng)開(kāi)展了多次星地和星間驗(yàn)證項(xiàng)目。我國(guó)涉足衛(wèi)星光通信領(lǐng)域的時(shí)間較短，早期試驗(yàn)項(xiàng)目以軍用類型為主，且大都保密，從2011年起才有信息公開(kāi)的項(xiàng)目記錄。我國(guó)前期開(kāi)展的試驗(yàn)項(xiàng)目以復(fù)雜度相對(duì)較低的星地鏈路為主，后期星間鏈路試驗(yàn)的規(guī)模不斷擴(kuò)大。

1.2 產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

自衛(wèi)星光通信技術(shù)的相關(guān)研究逐步開(kāi)展以來(lái)，衛(wèi)星光通信長(zhǎng)期處在技術(shù)突破和試驗(yàn)驗(yàn)證階段。而在2015年美國(guó)SpaceX宣布開(kāi)始布局“星鏈”(Starlink)項(xiàng)目，2019年正式將首批60顆衛(wèi)星發(fā)送入軌道，在星間采用衛(wèi)星光通信技術(shù)。大規(guī)模的衛(wèi)星光通信技術(shù)得到采用，才使衛(wèi)星光通信正式向產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。自此，星座網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始吸引大眾的視線，并且呈加速發(fā)展的態(tài)勢(shì)，成為大國(guó)之間博弈的熱點(diǎn)。圖2為國(guó)內(nèi)外參與衛(wèi)星光通信領(lǐng)域研發(fā)的科研機(jī)構(gòu)、高校及企業(yè)的活躍度分布情況。

圖2 國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星光通信研究機(jī)構(gòu)、高校及企業(yè)活躍度分布情況

目前，美國(guó)、歐洲、日本以及中國(guó)的相關(guān)機(jī)構(gòu)及企業(yè)都具有較高的活躍度。尤其是美國(guó)，因?yàn)榧夹g(shù)成熟度高且航天產(chǎn)業(yè)資本參與度高，在衛(wèi)星光通信領(lǐng)域內(nèi)的優(yōu)勢(shì)顯著。以美國(guó)國(guó)家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)為代表的眾多科研機(jī)構(gòu)、高校以及企業(yè)都在積極參與系統(tǒng)性研發(fā)和試驗(yàn)工作。其中，活躍度高的包括NASA、NASA下屬的加州理工大學(xué)噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室、麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室、SpaceX。美國(guó)的研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)之間的合作非常緊密，技術(shù)大多實(shí)現(xiàn)互通，因此在很大程度上促進(jìn)了美國(guó)衛(wèi)星光通信整個(gè)產(chǎn)業(yè)的活躍度。歐洲與日本的科研機(jī)構(gòu)之間的合作緊密，企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)的研究方向也有所側(cè)重，企業(yè)偏向于終端研究，科研機(jī)構(gòu)大部分都在研究搭建整個(gè)衛(wèi)星光通信系統(tǒng)，科研機(jī)構(gòu)活躍度明顯大于企業(yè)。此外，俄羅斯研制的星間激光數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)已經(jīng)在空間站和航天器等平臺(tái)上得到了應(yīng)用；以色列、法國(guó)、加拿大、韓國(guó)等也在積極探索這一領(lǐng)域，有望在不久的將來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)上的突破。

2018年起，我國(guó)多個(gè)天基系統(tǒng)項(xiàng)目陸續(xù)公開(kāi)，虹云工程、鴻雁工程、行云工程由航天科工、航天科技兩大集團(tuán)主導(dǎo)，正式進(jìn)行天基網(wǎng)絡(luò)的商用布局。除此之外，更多的企業(yè)力量在近幾年也加入了研究行列，主要開(kāi)展終端研制方面的工作。

盡管衛(wèi)星光通信目前仍處于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的起步階段，多數(shù)項(xiàng)目仍然以點(diǎn)到點(diǎn)的單鏈路通信形式開(kāi)展試驗(yàn)，大規(guī)模的星間商用部署仍在進(jìn)行當(dāng)中，但是將其應(yīng)用為6G組網(wǎng)技術(shù)的潛力已經(jīng)被各大研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)所挖掘，未來(lái)將在技術(shù)上進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)突破，使其具備更加成熟的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用條件。各國(guó)的產(chǎn)業(yè)生態(tài)也將進(jìn)一步擴(kuò)展，引導(dǎo)更多企業(yè)加入衛(wèi)星光通信技術(shù)與設(shè)備的研究行列。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外許多標(biāo)準(zhǔn)組織都開(kāi)展了航天通信的標(biāo)準(zhǔn)化工作，不僅有傳統(tǒng)的航天標(biāo)準(zhǔn)組織，還有許多通信標(biāo)準(zhǔn)組織。其中，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織有航天數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)(Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS)、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(International Organization for Standardization，ISO)、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織國(guó)際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union，ITU)和3GPP(3rd Generation Partnership Project)；歐盟的標(biāo)準(zhǔn)組織有歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(European Telecommunications Standards Institute，ETSI)、歐洲航天標(biāo)準(zhǔn)化合作組織(European Cooperation for Space Standardization，ECSS)、歐洲航天局(European Space Agency，ESA);美國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)組織有國(guó)際自動(dòng)機(jī)工程師學(xué)會(huì)(SAE International)、美國(guó)航天航空學(xué)會(huì)(American Institute of Aeronautics and Astronautics，AIAA)、美國(guó)國(guó)防部標(biāo)準(zhǔn)化局；中國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)組織有全國(guó)宇航技術(shù)及其應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)和全國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(CCSA)。

航天數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)對(duì)衛(wèi)星光通信領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化研究最為深入，2014年1月成立了光通信工作組，NASA擔(dān)任主席。該工作組的研究?jī)?nèi)容包括：適合衛(wèi)星光通信的波長(zhǎng)、調(diào)制、編碼、交織、同步和采集等方面的新標(biāo)準(zhǔn)研究；衛(wèi)星光通信鏈路中天氣數(shù)據(jù)的定義、交換和存檔標(biāo)準(zhǔn)研究等。截至目前光通信工作組已經(jīng)輸出了兩份轉(zhuǎn)化為ISO標(biāo)準(zhǔn)的完整推薦標(biāo)準(zhǔn)(Blue Books)，一份信息報(bào)告(Green Books)和一份試驗(yàn)記錄(Orange Books)。

通信領(lǐng)域的代表性標(biāo)準(zhǔn)化組織ITU T17-SG15于2020年8月提交了啟動(dòng)自由空間光通信系統(tǒng)研究的提案，2021年3月正式上會(huì)討論了自由空間光通信的應(yīng)用，而衛(wèi)星光通信包含在自由空間光通信的范疇之內(nèi)。ITU的衛(wèi)星光通信的標(biāo)準(zhǔn)化研究正在逐步走向正軌。

國(guó)內(nèi)的CCSA在2019年由航天科工牽頭新成立了TC12航天通信工作委員會(huì)，目前下設(shè)航天通信系統(tǒng)工作組(WG1)、航天通信應(yīng)用工作組(WG2)和協(xié)同組網(wǎng)通信工作組(WG3)。截至目前TC12已經(jīng)召開(kāi)了4次全會(huì)，僅有一個(gè)已立項(xiàng)的研究課題與衛(wèi)星光通信相關(guān)。國(guó)內(nèi)衛(wèi)星光通信的標(biāo)準(zhǔn)化研究有待進(jìn)一步深入。

整體而言，由于衛(wèi)星光通信在全球范圍內(nèi)的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中的互通程度仍然較低，各國(guó)前期各自開(kāi)展研發(fā)工作，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中使用的各類技術(shù)不完全統(tǒng)一，且研究水平也存在差距。因此，在目前標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展處于初期起步階段的情況下，全球標(biāo)準(zhǔn)化研究仍然由資歷深且技術(shù)成熟度高的美國(guó)NASA在CCSDS中牽頭主導(dǎo)，而其他標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)跟隨其后在衛(wèi)星光通信領(lǐng)域也開(kāi)始進(jìn)行相應(yīng)布局。當(dāng)前，初期的標(biāo)準(zhǔn)化研究主要圍繞以下幾個(gè)方面開(kāi)展：首先，在物理層解決最關(guān)鍵的數(shù)據(jù)互通問(wèn)題，需要對(duì)光通信信號(hào)和信標(biāo)光信號(hào)特性(例如通信激光信號(hào)的中心頻率、激光線寬、偏振性、調(diào)制方式等)進(jìn)行規(guī)范；其次，在同步和信道編碼層實(shí)現(xiàn)信號(hào)在發(fā)送端和接收端的轉(zhuǎn)換，涉及調(diào)制、同步、編碼和驗(yàn)證等關(guān)鍵流程，其中同步和編碼方式需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化研究。此外，上層的數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議層和網(wǎng)絡(luò)層標(biāo)準(zhǔn)化研究也將在前期的標(biāo)準(zhǔn)化逐漸成熟后進(jìn)一步開(kāi)展?？梢灶A(yù)見(jiàn)，未來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)研究范圍將進(jìn)一步涉及衛(wèi)星光通信組網(wǎng)的路由交換、網(wǎng)絡(luò)管理和控制等。在制定基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，需要同步開(kāi)展先進(jìn)課題的研究，例如端到端系統(tǒng)的試驗(yàn)性研究、衛(wèi)星光通信系統(tǒng)中各技術(shù)環(huán)節(jié)的研究等，為后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)化開(kāi)展提供支撐。

2 衛(wèi)星光通信關(guān)鍵技術(shù)

衛(wèi)星光通信技術(shù)涉及到多領(lǐng)域的交叉研究，復(fù)雜度高、難度大，相關(guān)的研究領(lǐng)域包括光學(xué)、機(jī)械、信號(hào)處理、數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)等。圖3展示了衛(wèi)星光通信鏈路間傳輸?shù)囊粋€(gè)典型系統(tǒng)，以及系統(tǒng)中各部分所對(duì)應(yīng)使用的主要技術(shù)。其中，光學(xué)技術(shù)包括高功率光源技術(shù)、高質(zhì)量光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)；信號(hào)處理技術(shù)包括調(diào)制解調(diào)技術(shù)、背景噪聲抑制技術(shù)、大氣信道影響補(bǔ)償技術(shù)、高靈敏度探測(cè)技術(shù)；機(jī)械技術(shù)包括平臺(tái)振動(dòng)與姿態(tài)補(bǔ)償技術(shù)、器件部件空間適應(yīng)性技術(shù)；高精度捕獲跟蹤瞄準(zhǔn)(Acquisition，Tracking and Pointing，ATP)技術(shù)等。本文重點(diǎn)介紹衛(wèi)星光通信研究中需要重點(diǎn)關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)。

圖3 衛(wèi)星光通信系統(tǒng)各環(huán)節(jié)中對(duì)應(yīng)使用的技術(shù)

2.1 光學(xué)關(guān)鍵技術(shù)

高質(zhì)量光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的核心包含波長(zhǎng)選取和光路設(shè)計(jì)兩部分。選取波長(zhǎng)時(shí)首先應(yīng)保證光信號(hào)在傳播過(guò)程中透過(guò)大氣時(shí)損耗小、受太陽(yáng)輻射影響小，同時(shí)在該波長(zhǎng)下探測(cè)器具有高響應(yīng)度。由于通信業(yè)務(wù)的多樣化發(fā)展，衛(wèi)星光通信網(wǎng)絡(luò)中往往需要多波長(zhǎng)同時(shí)進(jìn)行傳輸以保證業(yè)務(wù)傳輸質(zhì)量和帶寬容量。Liu等[2]研究了拓?fù)渥兓瘜?duì)所需波長(zhǎng)的影響，搭建了基于時(shí)空演化圖的模型。依據(jù)模型分析得出衛(wèi)星光通信網(wǎng)絡(luò)中對(duì)波長(zhǎng)的要求取決于網(wǎng)絡(luò)連接跳數(shù)和所需到達(dá)時(shí)間，而光路重疊少有助于降低對(duì)波長(zhǎng)的要求。星地鏈路間的常用波長(zhǎng)有1.55、0.85和10 μm，根據(jù)天氣條件和大氣湍流條件，Harris等[3]對(duì)3種波長(zhǎng)的傳輸特性進(jìn)行了分析。總之，衛(wèi)星光通信網(wǎng)絡(luò)中的波長(zhǎng)選取需根據(jù)傳輸類型、傳輸環(huán)境和業(yè)務(wù)需求進(jìn)行具體的選取與設(shè)計(jì)。另一方面，光路設(shè)計(jì)也是高質(zhì)量光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心技術(shù)之一。光路設(shè)計(jì)中最重要的環(huán)節(jié)是光學(xué)天線設(shè)計(jì)，在衛(wèi)星通信鏈路中，光信號(hào)通過(guò)光學(xué)天線進(jìn)行發(fā)射和接收。傳統(tǒng)的光學(xué)天線設(shè)計(jì)已經(jīng)非常成熟，但由于存在體積大和質(zhì)量大的缺陷，在當(dāng)前光通信衛(wèi)星正向微小型化發(fā)展的趨勢(shì)下，已不能滿足需求。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一種小型激光通信衛(wèi)星上適用的集成光學(xué)天線，該光學(xué)天線被設(shè)計(jì)在具有兩個(gè)不同光柵耦合器的絕緣體上的硅(SOI)芯片上。未來(lái)衛(wèi)星光通信設(shè)備上的光學(xué)天線也將在保證低偏振角誤差的前提下與載荷的體積、質(zhì)量同步向輕型化方向發(fā)展。

衛(wèi)星光通信信號(hào)通過(guò)接收端機(jī)接收后首先被傳輸?shù)叫盘?hào)處理模塊進(jìn)行信號(hào)探測(cè)。選擇探測(cè)器的依據(jù)包括信號(hào)光功率、入射光的波長(zhǎng)范圍、尺寸及其他機(jī)械要求等。雪崩光電二極管(APD)和PIN光電二極管是最常用于各類實(shí)驗(yàn)和實(shí)際終端中的光電探測(cè)器，對(duì)于1550 nm的衛(wèi)星光通信傳輸系統(tǒng)，APD光電二極管的Q因子優(yōu)于PIN光電二極管，具有更好的探測(cè)性能[5]。

通過(guò)增加接收器孔徑的大小同樣能夠減輕大氣湍流對(duì)信號(hào)的影響，利用孔徑的平滑效應(yīng)可以消除由小渦流引起的相對(duì)快速的波動(dòng)，并有助于減少信道損耗。文獻(xiàn)[6]驗(yàn)證了通過(guò)使用孔徑平滑效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)星地鏈路的性能改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了在星地下行鏈路中信道編碼和孔徑平滑互相協(xié)同的實(shí)際應(yīng)用，并利用不同光學(xué)孔徑的雪崩光電二極管接收器進(jìn)行了信號(hào)質(zhì)量評(píng)估。當(dāng)孔徑的平均天頂角≤80°能夠保證接收器的穩(wěn)健性。

大氣對(duì)光波的影響中最重要的一個(gè)方面是閃爍效應(yīng)，為了克服大氣閃爍，自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)通過(guò)矯正相位實(shí)現(xiàn)低誤碼率傳輸。目前，自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)已經(jīng)受到廣泛的關(guān)注，許多試驗(yàn)和應(yīng)用已經(jīng)在衛(wèi)星光通信系統(tǒng)中開(kāi)展。文獻(xiàn)[7]介紹了歐洲航天局的光學(xué)地面站接收端自適應(yīng)光學(xué)附件的設(shè)計(jì)、制造和工廠驗(yàn)收測(cè)試結(jié)果：該系統(tǒng)能夠利用300多個(gè)“模式”來(lái)消除大部分湍流引起的靜態(tài)波前誤差。利用自適應(yīng)光學(xué)進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償可以將地面-衛(wèi)星的上行鏈路所需的發(fā)射光功率保持在合理范圍內(nèi)，文獻(xiàn)[8]通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)自適應(yīng)光學(xué)對(duì)光饋線鏈路進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償?shù)念A(yù)期性能開(kāi)展了研究。用自適應(yīng)光學(xué)方法進(jìn)行編碼矯正的可靠性也已經(jīng)通過(guò)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)得到證實(shí)。

2.2 信號(hào)處理關(guān)鍵技術(shù)

信號(hào)調(diào)制解調(diào)技術(shù)與背景噪聲抑制技術(shù)有部分技術(shù)交叉，特定的調(diào)制解調(diào)技術(shù)也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)信號(hào)背景噪聲的抑制。信號(hào)調(diào)制解調(diào)技術(shù)的選擇依據(jù)包括光功率效率和帶寬效率、信息傳輸速率以及抗干擾能力等多個(gè)方面。衛(wèi)星光通信中的調(diào)制方案可以支持多種二進(jìn)制格式和多級(jí)調(diào)制格式，其中二進(jìn)制由于具有簡(jiǎn)單高效的特點(diǎn)成為最常用的格式。其中，開(kāi)關(guān)鍵控(OOK)和脈沖位置調(diào)制(PPM)是二進(jìn)制中最為常用的兩種調(diào)制方式。由于其簡(jiǎn)單的特性，OOK調(diào)制方案在衛(wèi)星光通信中成為了主流技術(shù)之一，且通常和強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(cè)(IM/DD)傳輸和接收機(jī)制同步部署。文獻(xiàn)[9]采取不同強(qiáng)度調(diào)制方案來(lái)削弱大氣湍流對(duì)信號(hào)產(chǎn)生的影響，并分析效果。其中，OOK在湍流大氣條件下自適應(yīng)閾值可以獲得最佳削弱效果。

太空環(huán)境中背景噪聲主要來(lái)源于太陽(yáng)輻射，且輻射強(qiáng)度隨波長(zhǎng)的增加而減小。為達(dá)到抑制背景噪聲的目的，一般采用的技術(shù)包括空間濾波和信號(hào)調(diào)制技術(shù)。濾波器的設(shè)計(jì)需要考慮的因素包括信號(hào)的到達(dá)角、多普勒頻移激光線寬以及時(shí)間模式的數(shù)量[10]。多脈沖位置調(diào)制(MPPM)是最為常用的背景噪聲抑制調(diào)制技術(shù)之一，在目前的技術(shù)發(fā)展階段中常與其他調(diào)制方式混合使用以實(shí)現(xiàn)更高效率的傳輸。Khallaf等[11]將正交振幅調(diào)制(QAM)和MPPM混合的調(diào)制方法應(yīng)用于無(wú)湍流和伽馬-伽馬自由空間光學(xué)(FSO)通道中，相比于傳統(tǒng)調(diào)制方式，此混合調(diào)制方式能夠得到更好的誤碼率性能。Elfiqi等[12]提出了一種混合兩級(jí)多脈沖位置調(diào)制-多進(jìn)制差分相移鍵控(2L-MPPM-MDPSK)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了更高功率和頻譜效率。Numata等[13]提出了一種多脈沖位置調(diào)制和脈沖間距調(diào)制(PSM)融合的方案，在仿真的噪聲場(chǎng)景下進(jìn)行誤碼率分析，驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)了高速率傳輸。

為減小星地鏈路間大氣條件對(duì)傳輸信號(hào)的影響，除了可以利用孔徑平滑效應(yīng)、空間分集、時(shí)間分集和頻率分集等技術(shù)外，還可以利用根據(jù)季節(jié)、時(shí)間、環(huán)境、天氣進(jìn)行調(diào)節(jié)的大氣影響被動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)。Polnik等[14]對(duì)大氣中的云覆蓋量進(jìn)行預(yù)測(cè)，搭建了兩種不確定性模型：具有多面體不確定性集的穩(wěn)健優(yōu)化模型和具有基于矩的模糊集分布的穩(wěn)健優(yōu)化模型。在衛(wèi)星與位于英國(guó)的地面站之間的鏈路中分析計(jì)算了不同模型的性能，并以此為依據(jù)實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月的衛(wèi)星運(yùn)行規(guī)劃。

2.3 ATP技術(shù)

快速精確的捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離空間光通信的基礎(chǔ)，尤其是星地鏈路間的核心技術(shù)。ATP系統(tǒng)包括粗跟蹤(捕獲)系統(tǒng)和精跟蹤(跟蹤和瞄準(zhǔn))系統(tǒng)兩部分。ATP系統(tǒng)先通過(guò)粗跟蹤系統(tǒng)在大范圍視線內(nèi)進(jìn)行掃描，捕獲到傳輸信號(hào)后再使用精跟蹤系統(tǒng)在小范圍內(nèi)進(jìn)行掃描。采用這種粗跟蹤系統(tǒng)和精跟蹤系統(tǒng)結(jié)合的方式可以快速有效地捕獲到信號(hào)。圖4展示了ATP系統(tǒng)的基本組成。

圖4 ATP系統(tǒng)組成

由于ATP技術(shù)直接決定了光信號(hào)是否能夠成功傳輸，一直以來(lái)都受到科研人員的高度關(guān)注。初始指向作為獲取的第一步起著至關(guān)重要的作用，Chen等[15]建立了星間激光通信初始指向的數(shù)學(xué)模型，仿真得到初始方位角和俯仰角。Arvizu等[16]搭建了用于Cubesat和光學(xué)地面站之間的光量子通信鏈路的ATP 系統(tǒng)原型，并在實(shí)驗(yàn)室和中短距離地面鏈路中展示了在受控光湍流條件下的ATP系統(tǒng)性能。

2.4 機(jī)械關(guān)鍵技術(shù)

器件部件空間適應(yīng)性技術(shù)包含多種類型，目的是減小空間環(huán)境對(duì)部件產(chǎn)生的影響。此類技術(shù)包括反射鏡表面性能防護(hù)技術(shù)、機(jī)械部件防冷焊、日凌下熱控、雜散光抑制、放大器抗輻射技術(shù)等。其中，放大器抗輻射技術(shù)是機(jī)械技術(shù)中的研究要點(diǎn)之一。光纖放大器屬于光纖類器件，受空間的輻射環(huán)境影響非常嚴(yán)重，會(huì)因此產(chǎn)生色心從而嚴(yán)重影響光纖放大器的放大性能。目前，主要采用退色心抗輻射技術(shù)、預(yù)輻射載氫抗輻射技術(shù)和光纖制作工藝的抗輻射技術(shù)。

總體而言，衛(wèi)星光通信中各環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)最終是為了支撐實(shí)現(xiàn)兩個(gè)主要目標(biāo)：保證鏈路穩(wěn)定性和提高信號(hào)傳輸質(zhì)量。隨著小型化低軌衛(wèi)星數(shù)量的顯著增加，衛(wèi)星光通信終端正在向高數(shù)據(jù)率、低功耗、小型化、低成本的趨勢(shì)發(fā)展。因此，衛(wèi)星光通信的各個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展不僅要在實(shí)現(xiàn)基本目標(biāo)的基礎(chǔ)上優(yōu)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式，元件設(shè)計(jì)和選取還需要符合終端發(fā)展趨勢(shì)的要求：關(guān)鍵元件質(zhì)量小、功耗低，關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計(jì)向微小型化發(fā)展，從而為整體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

3 衛(wèi)星光通信發(fā)展態(tài)勢(shì)

衛(wèi)星光通信從試驗(yàn)驗(yàn)證向工程應(yīng)用演進(jìn)，各國(guó)工程項(xiàng)目布局競(jìng)爭(zhēng)激烈。目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)部署了眾多工程項(xiàng)目，例如國(guó)外的“Kuiper”星座(3236 顆)、“Telesat”星座(298 顆)、“Starlink”網(wǎng)絡(luò)(1.2 萬(wàn)顆)；國(guó)內(nèi)有“鴻雁”星座(300 顆)、“虹云”星座(156 顆)。衛(wèi)星光通信工程項(xiàng)目的布局正在如火如荼地開(kāi)展。

衛(wèi)星光通信正在向雙向傳輸、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)傳輸方向組網(wǎng)化發(fā)展。為了建立空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)，衛(wèi)星業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)需要回傳至地球表面，在此過(guò)程中，在星間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中繼傳輸是必不可少的環(huán)節(jié)。具有雙向傳輸?shù)男l(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)終端能夠更加高效地進(jìn)行信息傳輸，數(shù)據(jù)收發(fā)速率能夠得到保障。由于激光的束散角小，且易產(chǎn)生動(dòng)態(tài)變化，當(dāng)前衛(wèi)星光通信鏈路多為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，為了進(jìn)一步擴(kuò)展衛(wèi)星組網(wǎng)，則需要在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)傳輸。

國(guó)外衛(wèi)星光通信技術(shù)研發(fā)將加強(qiáng)布局，國(guó)內(nèi)技術(shù)路線有待明確。NASA作為航空領(lǐng)域的領(lǐng)軍機(jī)構(gòu)，在2020年發(fā)布的《2020 NASA技術(shù)分類》[17]中明確列出了未來(lái)將重點(diǎn)關(guān)注的光通信技術(shù)：探測(cè)器、超大光學(xué)孔徑、激光器、ATP技術(shù)、光學(xué)測(cè)量學(xué)、創(chuàng)新信號(hào)調(diào)制等。此技術(shù)分類報(bào)告是以2015年NASA發(fā)布的技術(shù)路線圖為基礎(chǔ)進(jìn)行的梳理。NASA在未來(lái)衛(wèi)星光通信研究中的技術(shù)研究重點(diǎn)與研究思路規(guī)劃已經(jīng)十分細(xì)致與清晰，而國(guó)內(nèi)尚未有相關(guān)研究機(jī)構(gòu)公開(kāi)技術(shù)研究線路，未來(lái)我國(guó)的研究方向?qū)⒔Y(jié)合當(dāng)前的技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)一步明確規(guī)劃側(cè)重點(diǎn)，緊跟國(guó)外領(lǐng)先技術(shù)的步伐。

當(dāng)前衛(wèi)星光通信領(lǐng)域仍處于技術(shù)向產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化的初期，參與方以科研機(jī)構(gòu)和高校為主，由于產(chǎn)業(yè)規(guī)模小且終端產(chǎn)品技術(shù)復(fù)雜度高，仍然對(duì)企業(yè)缺乏吸引力，企業(yè)參與度較低。在衛(wèi)星光通信工程項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)后，進(jìn)一步推進(jìn)大規(guī)模的組網(wǎng)部署將極大地推動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，吸引更多企業(yè)和其他組織機(jī)構(gòu)參與到整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈中。

4 結(jié)束語(yǔ)

衛(wèi)星光通信正處于技術(shù)驗(yàn)證和商用探索的起步階段，技術(shù)覆蓋領(lǐng)域廣、復(fù)雜度高。目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有多個(gè)天基網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目的星間鏈路使用此技術(shù)，但距在天基網(wǎng)絡(luò)鏈路中大規(guī)模覆蓋使用仍有距離，重點(diǎn)、難點(diǎn)技術(shù)研究仍有待突破。以美國(guó)、歐洲、日本、中國(guó)為首，各國(guó)/地區(qū)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)正在不斷加大人力和資金投入，開(kāi)展試驗(yàn)驗(yàn)證和產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目布局。當(dāng)前階段，由于技術(shù)研究起步較晚，重點(diǎn)、難點(diǎn)技術(shù)仍需突破，且缺少整體清晰的技術(shù)路線規(guī)劃，我國(guó)衛(wèi)星光通信在技術(shù)成熟度、研發(fā)規(guī)模和企業(yè)參與度上與先進(jìn)國(guó)家仍有較大差距。此外，我國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)在航天領(lǐng)域的研究和產(chǎn)業(yè)布局都由傳統(tǒng)航天企業(yè)主導(dǎo)，其他中小企業(yè)在衛(wèi)星光通信產(chǎn)業(yè)中的參與度較低。為縮小與國(guó)外在衛(wèi)星光通信領(lǐng)域的差距，亟需制定相關(guān)政策、提供研發(fā)資金引導(dǎo)科研、產(chǎn)業(yè)與生態(tài)的協(xié)同發(fā)展。