深空探測(cè)光通信技術(shù)途經(jīng)分析與展望

白帆 李炯卉 徐寶碧 韓宇

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

開(kāi)展深空探測(cè)活動(dòng)是衡量一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力和科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志，是帶動(dòng)空間技術(shù)、空間科學(xué)和空間應(yīng)用發(fā)展的有效途徑。作為深空探測(cè)器與地球之間保持聯(lián)系的唯一紐帶，測(cè)控通信系統(tǒng)具有不可或缺的地位。

目前，以美國(guó)為首的航天強(qiáng)國(guó)以高速數(shù)據(jù)傳輸需求為牽引，實(shí)現(xiàn)了從S/X頻段的第一代測(cè)控通信體制向X/Ka頻段的第二代測(cè)控通信體制的轉(zhuǎn)變，同時(shí)，正逐步向以光通信、太赫茲等高頻段技術(shù)為核心的第三代測(cè)控通信體制邁進(jìn)[1]。

空間光通信技術(shù)憑借其高帶寬以及無(wú)頻譜約束等特點(diǎn)成為緩解深空探測(cè)器資源緊張、實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行侄?。?0年，美國(guó)將激光通信技術(shù)作為航天領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展方向，開(kāi)展了包括高精度捕獲、瞄準(zhǔn)、跟蹤(APT)、高功率激光發(fā)射器、高靈敏度光電探測(cè)器、地基小口徑光學(xué)天線陣列等諸多關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)工作[1]。2013年，NASA成功完成地月激光通信演示(LLCD)工作，驗(yàn)證了地月雙向激光通信、測(cè)距的可行性[2]。同時(shí)，歐洲、日本以及中國(guó)等國(guó)家和地區(qū)在衛(wèi)星激光通信領(lǐng)域也已完成多項(xiàng)在軌試驗(yàn)任務(wù)，并逐步進(jìn)入規(guī)模化建設(shè)和實(shí)用階段[3-5]。

未來(lái)，隨著深空探測(cè)任務(wù)的不斷深入與探測(cè)技術(shù)的不斷提高，利用激光通信技術(shù)提高深空數(shù)據(jù)回傳能力逐漸提上了日程。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外深空測(cè)控通信技術(shù)及空間激光通信技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了介紹。在對(duì)我國(guó)今后深空光通信發(fā)展需求分析的基礎(chǔ)上，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)途徑進(jìn)行了分析。結(jié)合我國(guó)后續(xù)深空發(fā)展規(guī)劃，提出適合我國(guó)國(guó)情的深空光通信發(fā)展設(shè)想。

1 深空測(cè)控通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

從技術(shù)發(fā)展角度看，國(guó)外深空測(cè)控通信領(lǐng)域重點(diǎn)對(duì)信號(hào)調(diào)制與編碼、大口徑高增益天線、高效率功率放大器、基于軟件無(wú)線電技術(shù)的數(shù)字應(yīng)答機(jī)與深空光通信等方面開(kāi)展了富有成效的工作。圖1為深空測(cè)控通信關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展路線圖[6]。

注：MRO為火星勘測(cè)軌道器；STRS為空間通信射頻系統(tǒng)；UST為統(tǒng)一空間應(yīng)答機(jī)；LRO為月球勘測(cè)軌道器；SSPA為固態(tài)放大器；DS-1為深空一號(hào)；TWTA為行波管放大器；Calileo為伽利略號(hào)；Voyager為旅行者號(hào)；Casini為卡西尼號(hào)；OQPSK為偏移正交相移鍵控；MPSK為絕對(duì)相位調(diào)制；GMSK為高斯濾波最小頻移鍵控；BPSK為二進(jìn)制相移鍵控；QPSK為四相相移鍵控；PCM為脈沖編碼調(diào)制；PSK為相移鍵控；PM為相位調(diào)制；Turbo為并行級(jí)聯(lián)卷積碼；RS為里德-所羅門(mén)碼；LDPC為低密度奇偶校驗(yàn)碼。

對(duì)于空間激光通信技術(shù)，美國(guó)NASA在LLCD任務(wù)成功的基礎(chǔ)上，于2021年12月，隨空間測(cè)試計(jì)劃衛(wèi)星(STPSat-6)發(fā)射的激光通信中繼演示(LCRD)系統(tǒng)成為世界第一個(gè)具備雙通信體制的衛(wèi)星光通信中繼系統(tǒng)，該系統(tǒng)后續(xù)將與地面光學(xué)站以及“國(guó)際空間站”(ISS)所搭載的集成LCRD近地軌道用戶調(diào)制解調(diào)器和放大終端(ILLUMA-T)開(kāi)展星地/星間雙向高速通信試驗(yàn)。同時(shí)，LCRD系統(tǒng)還被作為美國(guó)下一代跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)計(jì)劃和未來(lái)深空光中繼通信技術(shù)的測(cè)試平臺(tái)，將驗(yàn)證包括光信號(hào)編碼、激光測(cè)距、鏈路層與網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議在內(nèi)的諸多關(guān)鍵技術(shù)[7]。

另外，美國(guó)增強(qiáng)型激光任務(wù)通信導(dǎo)航與操作業(yè)務(wù)(LEMNOS)項(xiàng)目還計(jì)劃在2023年發(fā)射搭載于載人探測(cè)器獵戶座(EM-2)的光通信終端(O2O)，開(kāi)展載人探測(cè)器月地激光通信試驗(yàn)[8]；2025年，依托激光通信近地衛(wèi)星系統(tǒng)(LOCNESS)中繼節(jié)點(diǎn)實(shí)施下一代衛(wèi)星激光通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)以地球?yàn)橹行模B接近地、高軌、月球和日地L2點(diǎn)的超大星際光通信網(wǎng)絡(luò)[7]。

與國(guó)外各航天大國(guó)相比，我國(guó)深空測(cè)控通信技術(shù)伴隨著各項(xiàng)任務(wù)的順利實(shí)施得到了逐步發(fā)展：嫦娥系列探測(cè)任務(wù)實(shí)現(xiàn)了S頻段及X頻段統(tǒng)一載波測(cè)控體制的在軌應(yīng)用；天問(wèn)一號(hào)火星探測(cè)器實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化深空應(yīng)答機(jī)和大口徑天線等關(guān)鍵技術(shù)的突破；同時(shí)，以高靈敏度光子探測(cè)器、高光子效率調(diào)制與編碼、高功率激光發(fā)射器等為核心的遠(yuǎn)距離空間激光通信技術(shù)也相繼實(shí)現(xiàn)突破。表1為我國(guó)與美國(guó)空間激光通信技術(shù)發(fā)展情況比較。

表1 國(guó)內(nèi)外空間激光通信系統(tǒng)性能比較

此外，在空間光通信標(biāo)準(zhǔn)化工作方面，以空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)(CCSDS)、國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)等為代表的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)衛(wèi)星光通信領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化研究最為深入。其中，CCSDS SLS-OPT工作組針對(duì)大氣環(huán)境、光信號(hào)物理層和鏈路子層編碼方面制訂并發(fā)布了3份推薦性標(biāo)準(zhǔn)[9-11]。目前，國(guó)內(nèi)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)也在制訂當(dāng)中。

2 深空光通信需求分析

隨著探月工程三期和首次火星探測(cè)任務(wù)的圓滿成功，我國(guó)后續(xù)還將逐步開(kāi)展探月工程四期、小行星探測(cè)、火星采樣返回、木星及行星際穿越探測(cè)、載人探月等任務(wù)(見(jiàn)表2)。

表2 深空光通信需求分析

2021年6月，中俄聯(lián)合發(fā)布了《國(guó)際月球科研站路線圖(V1.0)》和《國(guó)際月球科研站合作伙伴指南(V1.0)》[12]，提出了月球科研站“勘、建、用”3個(gè)工程階段的任務(wù)路線規(guī)劃。根據(jù)規(guī)劃內(nèi)容，后續(xù)月球無(wú)人探測(cè)任務(wù)均為多器組合體，同時(shí)在軌的月面探測(cè)器初步方案可達(dá)11個(gè)。若考慮后續(xù)載人探月任務(wù)，同時(shí)在軌工作的通信節(jié)點(diǎn)(探測(cè)器和艙外宇航員)數(shù)量將會(huì)更多。因此，為滿足多個(gè)月球探測(cè)器數(shù)據(jù)的高速對(duì)地轉(zhuǎn)發(fā)以及大規(guī)模用戶接入，對(duì)中繼星通信轉(zhuǎn)發(fā)鏈路吉比特量級(jí)碼速率的數(shù)據(jù)傳輸需求愈發(fā)強(qiáng)烈。

此外，小行星防御、火星采樣返回、載人深空探測(cè)等任務(wù)將要開(kāi)展的對(duì)目標(biāo)天體詳細(xì)勘察或表面巡視工作，高空間分辨率、高光譜分辨率和高時(shí)間分辨率的探測(cè)儀器將被廣泛使用。探測(cè)儀器所感知、獲取的大容量數(shù)據(jù)對(duì)地高速回傳能力，也將直接影響我國(guó)高精度科學(xué)探測(cè)的進(jìn)一步發(fā)展。

3 深空光通信技術(shù)途徑分析

深空光通信實(shí)現(xiàn)的主要技術(shù)途徑包括深空捕跟瞄技術(shù)及策略、高光子效率信號(hào)編碼與調(diào)制技術(shù)、地面弱光子信號(hào)接收技術(shù)；同時(shí)，對(duì)于后續(xù)星際高速通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，容延時(shí)網(wǎng)絡(luò)(DTN)、波長(zhǎng)與路由選擇技術(shù)、宇航級(jí)光學(xué)放大器等也是重要的發(fā)展領(lǐng)域。

3.1 深空高效高穩(wěn)定APT技術(shù)

對(duì)于深空光通信鏈路建立，傳統(tǒng)光學(xué)地面站提供的上行可合作信標(biāo)光信號(hào)衰減嚴(yán)重，難以保證足夠高的跟蹤速率。以地球或其附近的自然天體圖像作為參考信標(biāo)的方案不僅可以提供足夠高的跟蹤速率，還可以保持探測(cè)器光通信終端相對(duì)于上行鏈路的獨(dú)立性，因此是一種較為理想的方案。圖2為深空光通信瞄準(zhǔn)、捕獲與跟蹤工作原理圖[13]。

圖2 深空光束瞄準(zhǔn)、捕獲、跟蹤原理示意圖

然而，采用自然天體信標(biāo)作為深空光通信鏈路建立與穩(wěn)定跟蹤方案的主要挑戰(zhàn)包括：缺少地面站的誤差反饋信息這一天地“開(kāi)環(huán)”工作機(jī)制下，鏈路建立和運(yùn)行過(guò)程中信標(biāo)圖像位置的精確計(jì)算；探測(cè)器平臺(tái)疊加寬譜高頻振動(dòng)與低頻擾動(dòng)影響；高靈敏度、高帶寬的光電探測(cè)器工程化實(shí)現(xiàn)。

目前，解決上述技術(shù)難點(diǎn)的有效途徑包括：①以大規(guī)模集成電路以及現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)硬件技術(shù)為基礎(chǔ)，提供快速、精準(zhǔn)的信標(biāo)圖像中心位置計(jì)算處理功能；②以高精度、高分辨率星敏感器技術(shù)為基礎(chǔ)提供絕對(duì)參考信息，配合相對(duì)位置信息和地面導(dǎo)航系統(tǒng)所提供的航天器與目標(biāo)的位置信息來(lái)輔助APT全過(guò)程；③采用不依賴于分光的磁流體動(dòng)力慣導(dǎo)自穩(wěn)跟蹤抑制平臺(tái)中高頻振動(dòng)，降低對(duì)高帶寬、高靈敏度的光電探測(cè)器使用需求，大幅度提升探測(cè)靈敏度及鏈路可通性。

3.2 高光子效率(HPE)信號(hào)調(diào)制與編碼技術(shù)

光學(xué)鏈路將信號(hào)功率傳送到接收機(jī)的能力通常受傳輸介質(zhì)、偏振模式不匹配、接收機(jī)瞄準(zhǔn)損失及收/發(fā)光學(xué)系統(tǒng)效率等因素影響。提高深空光信號(hào)高效傳輸?shù)暮诵膯?wèn)題是對(duì)信道衰減的有效補(bǔ)償，其主要工作集中在光信號(hào)物理層與鏈路層相關(guān)領(lǐng)域的方案設(shè)計(jì)。

未來(lái)，隨著高速數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和FPGA的發(fā)展，很容易搭建基于DSP處理器和FPGA調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，從而用軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)高性能的調(diào)制發(fā)射和接收。2019年，CCSDS SLS發(fā)布的鏈路子層同步與編碼推薦標(biāo)準(zhǔn)中提出了基于串行級(jí)聯(lián)脈沖位置調(diào)制(SCPPM)技術(shù)針對(duì)遠(yuǎn)距、弱光子鏈路編碼方案[10]，其發(fā)射端工作機(jī)制如圖3所示。

圖3 深空光通信信道編碼機(jī)制

3.3 地面高效信號(hào)接收技術(shù)

對(duì)于超遠(yuǎn)距離光信號(hào)傳輸與接收，信號(hào)光束不僅受到自由空間傳播損耗，還會(huì)受到大氣湍流的影響，主要表現(xiàn)在光束漂移、光束擴(kuò)展、光強(qiáng)閃爍等方面，導(dǎo)致通信系統(tǒng)誤碼率增加，通信鏈路質(zhì)量下降。目前，地面光學(xué)站抑制大氣影響的方法主要包括小口徑光學(xué)陣列天線(空間分集)與自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)。

對(duì)于光學(xué)陣列天線信號(hào)接收方案，用Log-normal函數(shù)表征大氣弱湍流模型，n個(gè)接收單元的光信號(hào)隨機(jī)強(qiáng)度可表示為

(1)

式中：Ii為第i個(gè)光學(xué)天線單元的瞬時(shí)接收光強(qiáng)度；Ii0為第i個(gè)光學(xué)天線單元的平均接收光強(qiáng)度；[.]T為矩陣的轉(zhuǎn)置；Cx為幅度對(duì)數(shù)的協(xié)方差矩陣，表示為

(2)

(3)

式中：dij為第i個(gè)光學(xué)天線單元與第j個(gè)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡單元的中心距離；D為單個(gè)光學(xué)天線接收單元的口徑；BI,ij(.)為考慮中心距離與接收單元口徑因素影響下，第i個(gè)光學(xué)天線單元的接收光強(qiáng)度對(duì)數(shù)與第j個(gè)光學(xué)天線單元的接收光強(qiáng)度對(duì)數(shù)的協(xié)方差函數(shù)?；谏鲜隼碚撃Ｐ?，考慮等效面積因素，光學(xué)陣列天線在弱大氣湍流影響下的光信號(hào)接收能力數(shù)值仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 空間分集接收性能曲線示意圖

3.4 深空光通信中繼與組網(wǎng)技術(shù)

不同于地面?zhèn)鹘y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，未來(lái)由深空探測(cè)器、空間站、近地衛(wèi)星與天基中繼通信節(jié)點(diǎn)組成的星際通信網(wǎng)絡(luò)是一種高時(shí)延、高異構(gòu)性、通斷頻繁的斷續(xù)連接網(wǎng)絡(luò)，基于TCP/IP協(xié)議棧的地面互聯(lián)網(wǎng)體系并不適用。DTN是一種具備高時(shí)延容忍網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、異構(gòu)端互聯(lián)互通、自主路由協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)搭載大容量存儲(chǔ)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)體系。在應(yīng)對(duì)高時(shí)延問(wèn)題方面，網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)在開(kāi)放系統(tǒng)互連(OSI)模型下5層之上增加了一種被稱為捆綁協(xié)議(BP)的覆蓋網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)高時(shí)延情況下端到端傳輸?shù)谋O(jiān)督重傳、處理間歇連接、綁定覆蓋網(wǎng)絡(luò)端點(diǎn)標(biāo)識(shí)符、創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)地址等[14]。

在星際通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案中，骨干鏈路采用激光作為物理層設(shè)計(jì)的首選。當(dāng)前，衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案大多基于單波長(zhǎng)星間鏈路和星上電子交換技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用網(wǎng)絡(luò)間互聯(lián)協(xié)議/異步傳輸模式/同步數(shù)字體系(IP/ATM/SDH)作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議架構(gòu)，星上數(shù)據(jù)處理過(guò)程過(guò)于復(fù)雜。路由判定則是由星載處理器根據(jù)包頭檢測(cè)和查找動(dòng)態(tài)路由表來(lái)完成，而動(dòng)態(tài)路由表則主要反映了衛(wèi)星地理位置變化、星間鏈路狀態(tài)變化和星上處理器狀態(tài)變化等，網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)衛(wèi)星需要對(duì)經(jīng)過(guò)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行復(fù)雜的路由交換處理，結(jié)果造成數(shù)據(jù)傳輸延遲和抖動(dòng)。

地面成熟的波分復(fù)用(WDM)技術(shù)是解決上述問(wèn)題的有效方案之一[15]。星上配置地面較為成熟的光器件，星間建立多波長(zhǎng)通道，采用優(yōu)化的波長(zhǎng)路由技術(shù)進(jìn)行路徑選擇，最終形成星上透明光轉(zhuǎn)發(fā)、傳輸機(jī)制。利用波分復(fù)用和波長(zhǎng)路由技術(shù)構(gòu)建的星際通信網(wǎng)絡(luò)，信息交換和處理以波長(zhǎng)作為顆粒度在光域進(jìn)行，簡(jiǎn)化路由策略，提高星載資源利用率，極大減少中間節(jié)點(diǎn)處理和時(shí)延。

4 深空光通信技術(shù)發(fā)展設(shè)想

基于上述調(diào)研結(jié)果與分析，結(jié)合國(guó)際上空間光通信技術(shù)發(fā)展路線，初步提出我國(guó)深空光通信技術(shù)的發(fā)展設(shè)想如下。

第一階段：綜合發(fā)展射頻通信、激光通信和空間網(wǎng)絡(luò)通信的系統(tǒng)能力。突破抗輻照星載單光子檢測(cè)技術(shù)，充分發(fā)揮地面大口徑光學(xué)天線系統(tǒng)的高接收增益和功率資源充足的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)月地激光1～2 Gbit/s通信速率，為后續(xù)建立月地、火地高速中繼網(wǎng)絡(luò)提供高速鏈路基礎(chǔ)，服務(wù)后續(xù)載人登月任務(wù)近實(shí)時(shí)對(duì)地通信。

第二階段：突破宇航級(jí)EDFA和WDM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)基于軟件無(wú)線電技術(shù)的射頻/激光混合通信系統(tǒng)在軌應(yīng)用，火地通信速率可達(dá)100～200 Mbit/s。同時(shí)，采用高效路由協(xié)議和以大容量激光作為骨干鏈路的星際通信網(wǎng)絡(luò)形成一定的規(guī)模和能力。

第三階段：實(shí)現(xiàn)100 A.U.超遠(yuǎn)距離兆比特量級(jí)的通信能力。激光中繼網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)得到成熟應(yīng)用和驗(yàn)證，基本建成行星際通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)月表組網(wǎng)、火星表面組網(wǎng)與深空空間網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。

5 結(jié)束語(yǔ)

深空探測(cè)能力在很大程度上代表了一個(gè)國(guó)家航天的綜合實(shí)力，而測(cè)控通信能力的強(qiáng)弱將直接影響深空探測(cè)的范圍及探測(cè)能力。本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外深空測(cè)控通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的分析，給出發(fā)展深空光通信技術(shù)的需求和途徑分析，并提出對(duì)我國(guó)光通信技術(shù)在未來(lái)深空探測(cè)任務(wù)中的應(yīng)用和發(fā)展的設(shè)想，為我國(guó)空間通信網(wǎng)絡(luò)體系頂層規(guī)劃，建設(shè)高效化、網(wǎng)絡(luò)化深空光通信系統(tǒng)提供參考。