深空光通信技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢*

羅 彤，王偉志，薛佳音，丁潤偉，張欽宇,2

深空光通信技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢*

羅 彤1，王偉志1，薛佳音1，丁潤偉1，張欽宇1,2

（1 鵬城實驗室 深圳 518052 2 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳） 深圳 518052）

深空通信是深空探測任務(wù)順利進(jìn)行的重要保障。以激光為載波的通信系統(tǒng)具有通信速率高、體積小、重量輕和功耗低等特點，已成為深空通信未來發(fā)展的主要方向?？偨Y(jié)了深空光通信系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢，分析了深空光通信系統(tǒng)的組成以及關(guān)鍵技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，就未來技術(shù)發(fā)展、組網(wǎng)規(guī)劃、標(biāo)準(zhǔn)化和生態(tài)演進(jìn)、演示驗證等方面，給出了我國深空光通信發(fā)展的思考和建議。

深空光通信；ATP；深空通信網(wǎng)絡(luò)

引 言

深空探測廣義上指脫離地球引力場，進(jìn)入太陽系和宇宙空間的探測活動。關(guān)于深空探測的嚴(yán)謹(jǐn)定義，一種是國際電信聯(lián)盟ITU（International Telecommunication Union）在《無線電規(guī)則》第1.77款中關(guān)于深空探測的規(guī)定，即距離地球200萬公里以外的探測任務(wù)；另一種定義為對月球及以遠(yuǎn)地天體或空間開展的探測活動[1]。我國采用第二種定義，將月球探測作為深空探測的起點[2]。

作為豐富人類認(rèn)知、拓展人類生存空間、提升國家基礎(chǔ)創(chuàng)新能力、推動重大科技創(chuàng)新的領(lǐng)域，深空探測一直受到各大航天強國的高度關(guān)注，已成為人類航天活動的探索熱點和各國科技競爭的戰(zhàn)略制高點。2021年《中國航天白皮書》[3]制定了深空探測的總體發(fā)展要求，即繼續(xù)開展月球探測、行星探測工程，發(fā)射小行星探測器、完成近地小行星采樣和主帶彗星探測，完成火星采樣返回、木星系探測等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，論證太陽系邊際探測等實施方案。

深空通信是深空探測器與地球建立聯(lián)系的信息橋梁，是保障深空探測任務(wù)順利完成的時空紐帶。隨著遙測技術(shù)發(fā)展，高光譜成像儀、合成孔徑雷達(dá)等高分辨率圖像采集設(shè)備的使用，以及機器人/載人探測任務(wù)的語音、視頻、宇航員的健康監(jiān)測數(shù)據(jù)對通信速率需求大大增加，當(dāng)前以微波為主的通信手段已難以滿足日益增長的大帶寬、高速率、實時性等通信需求。此外，面向更遠(yuǎn)離太陽的深空進(jìn)行探測，由于太陽能量難于獲取，對通信載荷的體積、重量和功耗SWaP（Size，Weight and Power）的要求也更為嚴(yán)苛。隨著地面光纖通信技術(shù)發(fā)展和近地衛(wèi)星光通信系統(tǒng)的成功驗證，以激光為載波的空間光通信系統(tǒng)因具有帶寬大、指向好、速率高、保密性強、頻譜無需申請以及終端體積小、重量輕、功耗低等特點，逐漸成為深空通信新的研究方向。美國航空航天局NASA（National Aeronautics and Space Administration）和歐空局ESA（European Space Agency）針對深空光通信進(jìn)行了大量研究，已經(jīng)計劃及開展了多項深空光通信演示項目。從NASA的月球激光通信演示驗證LLCD（Lunar Laser Communication Demonstration）項目在軌實測數(shù)據(jù)來看，月地間的通信速率可達(dá)到622 Mbps，相對于微波通信，速率提升至6倍，并且通信載荷的重量減少50%，功耗減少20%[4]。通信速率的提升能夠大大豐富探測任務(wù)的多樣性，SWaP的降低能夠支撐更遠(yuǎn)距離的探測，深空光通信技術(shù)可望成為未來深空探測的主要解決方案，有著廣闊的發(fā)展前景。

基于深空光通信技術(shù)在未來深空探測任務(wù)中的重要性，本文對國內(nèi)外深空光通信發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)研和總結(jié)，并對系統(tǒng)組成和關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展進(jìn)行說明；然后在分析未來深空光通信的技術(shù)演進(jìn)途徑、組網(wǎng)、標(biāo)準(zhǔn)化及生態(tài)發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，對我國深空光通信的發(fā)展提出建議。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

相對于近地光通信，深空光通信信號衰減更大，信道環(huán)境更為復(fù)雜，光束的捕獲、跟蹤和對準(zhǔn)ATP（Acquisition，Tracking and Pointing）的技術(shù)難度急劇增加，必須通過提升發(fā)射功率、增大收發(fā)天線增益和光學(xué)系統(tǒng)效率、提高對準(zhǔn)精度和探測靈敏度來滿足鏈路預(yù)算要求。這大大增加了系統(tǒng)復(fù)雜性和設(shè)計難度，目前只有少數(shù)航天國家開展了系統(tǒng)級的驗證測試。美國是最早也是唯一完成月地光通信在軌驗證的國家，ESA配合NASA進(jìn)行了月地通信中地面站的驗證測試。我國目前還處于深空光通信專項技術(shù)研究和論證階段，尚無工程化演示系統(tǒng)的相關(guān)報道。

1.1 美國NASA

美國是最早進(jìn)行深空光通信研究的國家，從上個世紀(jì)90年代開始，NASA及合作方就開展了一系列的深空光通信驗證項目[5]。其中具有里程碑意義的是2013年月球激光通信驗證項目LLCD[6]，實現(xiàn)了下行622 Mbps、上行20 Mbps的傳輸速率，第一次實現(xiàn)了月地通信鏈路上高清電視圖像傳輸。依托于火星激光通信演示系統(tǒng)MLCD（Mars Laser Communications Demonstration）的研究成果，NASA啟動了火星距離級別的深空光通信項目DSOC（Deep Space Optical Communication）[7]，預(yù)計2022年將在Psyche任務(wù)中使用，對小行星帶“16 Psyche”小行星的遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行回傳。重返月球計劃啟動后，NASA的Artemis項目承擔(dān)登月任務(wù)，計劃于2023年在Artemis Ⅱ月球任務(wù)中進(jìn)行載人繞月飛行。載人獵戶座宇宙飛船將使用O2O（Optical to Orion）激光通信終端，提供4K超高清實時視頻及科學(xué)數(shù)據(jù)的傳輸[8]，這將是首次載人飛行任務(wù)中使用激光通信鏈路。NASA計劃于2025年開展月球軌道平臺網(wǎng)關(guān)LOP-G（Lunar Orbital Platform-Gateway）[9]項目，實現(xiàn)LOP-G對地、月球表面、載人航天器、中繼衛(wèi)星間的激光通信。NASA規(guī)劃目標(biāo)在DSOC二代系統(tǒng)上實現(xiàn)1 Gbps@1 AU（天文單位）的通信速率[10]。NASA上述項目的相關(guān)信息詳見表1。

表1 NASA深空光通信演示系統(tǒng)

1.2 歐洲ESA

ESA對空間光通信研究多集中在地球數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的應(yīng)用上，深空光通信演示驗證相對較少。2013年，ESA的地面站配合NASA的LLCD進(jìn)行了光通信和測距測試，并驗證了DTN協(xié)議在深空光通信中的有效性[11]。2015年，ESA曾計劃在小行星撞擊任務(wù)AIM（Asteroid Impact Mission）[12]中進(jìn)行0.5 AU深空通信演示，因該項目未能通過批準(zhǔn)從而轉(zhuǎn)向深空光通信系統(tǒng)DOCS（Deep-space Optical Communications System）[13]的研制，DOCS系統(tǒng)預(yù)計2024年在空間環(huán)境認(rèn)知（Space Situational Awareness）計劃的空間天氣SWE（Space Weather）任務(wù)中使用，進(jìn)行地球-拉格朗日點L5之間的通信試驗。ESA于2015年開始提議開展月球村（Moon Village）計劃[14]，吸納公共/私人實體加入，在月球共同建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施。當(dāng)前參與分析的備選方案中，月-地高速鏈路建議采用光通信，預(yù)計在2025年～2030年間進(jìn)行首次實驗。ESA深空通信目標(biāo)是在2025年達(dá)到100 Mbps@1 AU，可通率95 %[15]。ESA上述項目的相關(guān)信息詳見表2。

表2 ESA深空光通信演示系統(tǒng)

2 系統(tǒng)組成及關(guān)鍵技術(shù)

當(dāng)前典型的深空光通信系統(tǒng)組成如圖1所示，包括光端機FLT（Flight Laser Terminal）和光通信地面站OGS（Optical Ground Station），F(xiàn)LT和OGS具有相同的功能組成，主要由光機子系統(tǒng)、ATP子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)等功能模塊組成。以下就各子系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行說明。

2.1 光機子系統(tǒng)

光機子系統(tǒng)主要由天線、光學(xué)子系統(tǒng)和二維轉(zhuǎn)臺組成。天線及光學(xué)子系統(tǒng)除了保證提供足夠的天線增益、視場范圍、收發(fā)效率外，多軸系統(tǒng)的同軸度、收發(fā)光路的隔離度以及對雜散光的抑制度是設(shè)計考慮的關(guān)鍵因素。機械轉(zhuǎn)臺受ATP子系統(tǒng)控制，實現(xiàn)大范圍的光束掃描。

FLT為了減少同軸遮擋，天線大都采用離軸望遠(yuǎn)鏡方式。收發(fā)隔離通常采用波長隔離、偏振隔離或二者相結(jié)合的方案。對雜散光的抑制主要采用濾波和光學(xué)設(shè)計保證，由于深空信道多普勒頻偏大（火星-地頻偏達(dá)13.5 GHz@1 550 nm），濾波帶寬不能太小，采用偏振收發(fā)方式也能減少雜散光。圖2所示為NASA的DSOC天線[16]，其光學(xué)天線采用離軸Gregorian望遠(yuǎn)方式，在副鏡前面增加光闌，以減少雜散光。

圖1 深空光通信系統(tǒng)組成示意圖

圖2 DSOC光端機天線模型圖

深空信道中對鏈路質(zhì)量影響最大的是大氣層段，大氣湍流的隨機、無規(guī)則起伏運動，會造成光束強度閃爍和相位起伏，嚴(yán)重影響深空激光通信質(zhì)量。當(dāng)前減少大氣湍流影響的方法主要有大孔徑天線接收技術(shù)、分集技術(shù)和自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)。FLT受限于SWaP，當(dāng)前還無法應(yīng)用以上技術(shù)。OGS天線則已開展了這幾項技術(shù)的研究和應(yīng)用。NASA、ESA都開始進(jìn)行下一代8 m～12 m大口徑OGS的研制[17]；NASA的LLCD項目中OGS采用了多個中小型天線組成天線陣列[18]，除了獲取等效的天線口徑外，多個非相干信號疊加能起到分集效果、減少信號閃爍起伏的作用，但分集接收對接收到的信號進(jìn)行合并處理相對復(fù)雜。在自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)上，ESA正在研發(fā)24×24陣列，控制帶寬4 kHz的變形鏡，準(zhǔn)備應(yīng)用于下一代OGS天線的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中[19]。

另外，NASA在2010年啟動了在射頻天線基礎(chǔ)上嵌入折反式光學(xué)天線技術(shù)iROC（Integrated Radio and Optical Communications）的研究。首先，在DSS-13號34 m口徑的深空射頻測控站進(jìn)行技術(shù)評估，使其在接收Ka波段信號同時也能接收1 550 nm波長的光信號[20]。該系統(tǒng)的光學(xué)主鏡采用64塊六邊形反射鏡拼接合成，分為4個子孔徑，等效為一個8.3 m有效口徑的光學(xué)天線。隨后，基于地面站iROC的研究也延伸到FLT上，NASA計劃在火星勘測軌道飛行器MRO（Mars Reconnaissance Orbiter）項目中將Ka波段3 m口徑天線的中心位置集成0.25 m口徑的光學(xué)天線，預(yù)計采用該天線的系統(tǒng)速率可達(dá)1 Mbps@木衛(wèi)二、350 Mbps@火星近心點，對準(zhǔn)精度2 μrad[21]。iROC主要優(yōu)勢在于：①無需上行信標(biāo)光；②可在RF和光鏈路中進(jìn)行切換，增加通信速率的同時也減少任務(wù)風(fēng)險。OGS/FLT的iROC天線模型如圖3所示。

圖3 iROC天線模型圖

2.2 ATP子系統(tǒng)

激光通信系統(tǒng)的束散角小，快速精確地捕獲、瞄準(zhǔn)和跟蹤是深空光通信成功與否的決定性因素以及影響通信性能優(yōu)劣的重要因素。ATP子系統(tǒng)用于實現(xiàn)光束的捕獲、跟蹤和對準(zhǔn)，其關(guān)鍵技術(shù)包括超遠(yuǎn)距離微弱信號的捕獲技術(shù)和高精度、高帶寬的跟瞄技術(shù)。

光束通過大氣層和深空信道會導(dǎo)致光束的衰減、展寬和閃爍，超遠(yuǎn)距離的快速捕獲是深空光通信應(yīng)用中的一個挑戰(zhàn)。對于月地距離級別的鏈路，還可以采用OGS發(fā)射信標(biāo)光的方式進(jìn)行捕獲，但是對于更遠(yuǎn)距離的鏈路，功率受限將使得采用信標(biāo)方式變得不可行。國內(nèi)外針對深空無信標(biāo)捕獲技術(shù)進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[22]提出以地球為信標(biāo)，通過地球的紅外成像對OGS進(jìn)行無信標(biāo)捕獲，但在地球自轉(zhuǎn)下，陸地、海洋和云量的變化在成像上的差異會導(dǎo)致定位不準(zhǔn)確。另外一種方案是采用紅外恒星敏感器[23]，因為恒星的位置和亮度相對比較恒定，利用星歷表，根據(jù)航天器自控系統(tǒng)提供的姿態(tài)信息，星敏感器對恒星進(jìn)行捕獲跟蹤，根據(jù)恒星慣性坐標(biāo)的位置信息對下行光束方向進(jìn)行校正，從而實現(xiàn)快速的無信標(biāo)捕獲。NASA的O2O項目的FLT采用了星敏感器方案，如本文3.3節(jié)中MIT林肯實驗室研制的可擴展激光終端。

從鏈路分析可知，要保證鏈路預(yù)算中2 dB的視軸誤差損耗，在50 mm天線直徑下，跟瞄誤差需小于2 μrad（RMS），可見深空通信對跟瞄精度指標(biāo)要求非常高。跟瞄誤差主要由對準(zhǔn)誤差和跟蹤誤差組成。假定在視軸靜態(tài)誤差已校準(zhǔn)的情況下，跟瞄誤差主要由超前對準(zhǔn)偏差、跟蹤探測器噪聲和跟蹤系統(tǒng)殘差組成。跟蹤系統(tǒng)的殘差主要由精跟蹤控制系統(tǒng)對機械噪聲和衛(wèi)星平臺振動的抑制能力決定。隨著電子學(xué)和精密機械的發(fā)展，當(dāng)前探測器噪聲和機械噪聲帶來的誤差已能控制在較小范圍內(nèi)，如何抑制衛(wèi)星平臺的振動成為跟蹤環(huán)設(shè)計首要考慮的因素。深空環(huán)境下衛(wèi)星振動功率譜密度未知，但從當(dāng)前一些衛(wèi)星實測數(shù)據(jù)來看，衛(wèi)星部件運動的諧振譜能到200 Hz以上[24]。FLT振動抑制通常采用的方案是被動隔離和主動抑制相結(jié)合，如圖4所示的NASA的DSOC FLT系統(tǒng)，將光機子系統(tǒng)放置在振動隔離支架上消除高頻振動，中低頻的振動通過跟蹤環(huán)進(jìn)行抑制，從而達(dá)到最終跟蹤精度要求。

圖4 DSOC FLT系統(tǒng)組成及功能框圖

另外，為達(dá)到減少光路損失、簡化系統(tǒng)的目的，將單光子探測器拼接為焦平面陣列，使ATP探測器和通信探測器合一的技術(shù)在FLT和OGS上已開始進(jìn)行研究[25]。

2.3 通信子系統(tǒng)

通信子系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)主要包括激光發(fā)射技術(shù)、探測接收技術(shù)和調(diào)制/編碼技術(shù)。

2.3.1 激光發(fā)射技術(shù)

高峰值功率、高調(diào)制帶寬的激光源是實現(xiàn)超遠(yuǎn)距離通信的重要保障。因此，激光發(fā)射技術(shù)主要考慮如何提高激光發(fā)射功率、轉(zhuǎn)換效率，以及保證大峰均比調(diào)制下的光束質(zhì)量。當(dāng)前深空光通信發(fā)射機主要采用主振蕩功率放大器MOPA（Master Oscillator Power-Amplifier）技術(shù)。MOPA在轉(zhuǎn)換效率、線寬、波長調(diào)諧范圍、光束質(zhì)量和脈沖持續(xù)方面具有優(yōu)勢。NASA的DSOC激光發(fā)射采用的是MOPA技術(shù)，如圖5所示[26]。其種子光源采用分布式反饋DFB（Distributed Feed Back）激光器，放大采用兩級保偏放大，第一級采用摻鉺光纖放大器EDFA（Erbium-Doped Fiber Amplifier），二級采用鉺鐿共摻光纖放大器EYDFA（Erbium-Ytterbium-Doped Fiber Amplifier）。輸出波長1 550 nm，平均功率≥4.5 W，脈寬0.5 ns ～8 ns，PPM階數(shù)16～128，消光比＞13 dB，光束質(zhì)量M2<1.2。

圖5 DSOC激光組件示意圖

2.3.2 探測接收技術(shù)

深空光通信距離遠(yuǎn)，受大氣段和宇宙段的信道影響大，難以恢復(fù)載波的相位/頻率信息，且相干接收機的靈敏度低于單光子探測，因此，目前探測體制都采用單光子直探方式。在光通信頻段上主流的單光子探測器主要分三類：雪崩效應(yīng)器件、頻率轉(zhuǎn)換器件和低溫超導(dǎo)器件。其中雪崩效應(yīng)器件和低溫超導(dǎo)器件已經(jīng)應(yīng)用于深空通信系統(tǒng)中，頻率轉(zhuǎn)換器是利用非線性光學(xué)晶體將紅外光轉(zhuǎn)換為可見光，再通過光硅單光子探測器進(jìn)行探測，以提高探測效率，也是目前單光子探測器的研究方向之一[27]。

FLT的探測器通常采用蓋革模式的雪崩光電二極管GM-APD（Geiger Mode-Avalanche Photo Diode）。近年來迅速發(fā)展的碲鎘汞光電探測器（HgCdTe-APD）也逐漸開始應(yīng)用于深空光通信中，ESA正在研發(fā)GHz探測速率的HgCdTe-APD，準(zhǔn)備應(yīng)用于DOCS深空任務(wù)中[28]。

由于下行信號光非常微弱，OGS需采用更高靈敏度的探測器。NASA的LLCD項目中使用了超導(dǎo)納米線單光子探測器SNSPDs（Super-conducting Nanowire Single-Photon Detectors），它代表了當(dāng)前靈敏度（優(yōu)于1光子/比特）和探測效率（93%）的最高性能。提高SNSPDs臨界溫度和制冷小型化的研究也正在開展，有望未來運用于FLT[29]中。

無論是GM-APD還是SNSPDs，探測器的響應(yīng)恢復(fù)時間都會影響探測速度。為了提升單光子探測器計數(shù)率和光子數(shù)分辨率，近年來也開展了采用光纖分束耦合多通道SNSPDs[30]和GM-APD[31]的探測技術(shù)的理論分析和實驗室測試。

為提高集成度和小型化，光通信接收機多采用光纖耦合方式，即將空間光通過光纖耦合至探測器。近年來研究表明，采用多個模式的光纖接收空間光信號，可獲得模式分集增益，減少大氣湍流影響的同時提高耦合效率，其中采用少模光纖FMF（Few-Mode Fibers）的耦合效率要高于多個單模光纖[32]。綜上所述，一種結(jié)合模式分集和多通道單光子探測器的接收機方案如圖6所示，空間光通過光子燈籠耦合后經(jīng)過少模光纖，最后由多通道單光子探測器進(jìn)行探測接收處理。此方案有待后續(xù)進(jìn)一步研究和驗證。

2.3.3 調(diào)制/編碼技術(shù)

深空光通信接收到的光子數(shù)量少，受到的信道干擾強，在選擇調(diào)制方式時，主要考慮光子利用效率和抗干擾能力。脈沖位置調(diào)制PPM（Pulse-Position Modulation）具有很高的光子利用率和抗干擾能力，目前是深空光通信主要調(diào)制方式。此外，為了增加通信速率，也有將波分復(fù)用（WDM）技術(shù)[33]和軌道角動量調(diào)制技術(shù)[34]應(yīng)用于深空的研究。

圖6 模式分集的多通道單光子接收機

深空光通信信道誤碼率高，傳輸鏈路易中斷，因此需要糾錯能力強的編碼和交織。RS碼、Turbo碼和低密度奇偶校驗碼LDPC（Low Density Parity Check Code）都可作為深空光通信的候選碼，并且這些編碼都可以和PPM調(diào)制進(jìn)行級聯(lián)。其中，串行級聯(lián)脈沖位置調(diào)制SCPPM（Serially Concatenated Pulse-Position Modulation）碼是NASA在MLCD項目中提出的用于深空激光通信的編譯碼方式，它是將卷積碼和PPM調(diào)制融合的級聯(lián)碼，繼承卷積碼易于實現(xiàn)且譯碼簡單的特點，同時將調(diào)制加入到編碼過程中，提高了系統(tǒng)能量的利用率，也增加了可靠性，這已經(jīng)成為CCSDS調(diào)制編碼的標(biāo)準(zhǔn)化方案[35]。在NASA的DSOC和ESA的DCOS任務(wù)中都采用SCPPM，當(dāng)前也有將盧比變換LT（Luby Transform）碼、Raptor碼等噴泉碼應(yīng)用于空間光通信的研究報告[36]。

3 未來發(fā)展趨勢

3.1 深空光通信技術(shù)發(fā)展

2016年，NASA對未來50年深空通信發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望[37]，如表3所示。預(yù)計2025年光通信技術(shù)真正開始應(yīng)用于深空探測任務(wù)中，并逐漸開始占據(jù)主導(dǎo)地位。之后通信速率按每10年提高10倍的速度演進(jìn)，主要技術(shù)途徑包括密集光波復(fù)用DWDM（Dense Wavelength Division Multiplexing）技術(shù)、大功率激光發(fā)射技術(shù)、相干通信技術(shù)、光子集成技術(shù)、天線技術(shù)。2045年后運用的技術(shù)當(dāng)前還無法預(yù)測，可能的途徑是在提升發(fā)射機效率、同時解決衛(wèi)星能源的基礎(chǔ)上，采用大口徑天線陣列和高階調(diào)制技術(shù)來提升通信速率。此外，量子糾纏和X射線通信也是深空通信的發(fā)展方向。

表3 深空通信發(fā)展展望

3.2 深空通信組網(wǎng)發(fā)展

當(dāng)前演示驗證的深空光通信均采用星-地“一跳”的方式。這種方式的優(yōu)點是OGS擴展性好，易于維護(hù)升級，不足之處是受大氣影響，可用度較低，必須通過全球多點部署OGS來提升可用度。NASA的LLCD采用了月地直接信息傳輸鏈路，利用環(huán)月衛(wèi)星激光終端直接與地面激光站進(jìn)行高速通信，且后續(xù)探空任務(wù)會沿用這種模式[38]。另外一種方式是采用星-數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星-地這種“多跳”方式，即星-數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星間采用光通信，中繼衛(wèi)星-地可采用微波或光通信，如圖7所示。這種方式可提高可用度，但會增加成本，單點故障也會降低可靠性，可通過多星組網(wǎng)的方式提升可靠性。文獻(xiàn)[39]分析了月地距離以單路8K視頻（2.5 Gbps）速率，在BPSK調(diào)制方式下，比較上述兩種組網(wǎng)方式的可行性和性價比。認(rèn)為當(dāng)前技術(shù)水平下，一跳方式性價比優(yōu)于兩跳，但兩跳方式的可通率要優(yōu)于一跳方式，建議2030年前仍以一跳方式進(jìn)行部署，靠OGS地理上的多點部署來保證可通率，2030年后隨著實時視頻需求增加逐漸采用二跳方式。

中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心也在進(jìn)行通用行星際通信網(wǎng)絡(luò)UNICON（Universal Interplanetary Communication Network）[40]的規(guī)劃研究，建議在地球和火星之間的日心軌道上部署6顆衛(wèi)星，同步軌道上部署3顆衛(wèi)星，組成激光中繼通信與導(dǎo)航星座，深空探測器將數(shù)據(jù)傳送至UNICON日心星座，然后通過地球同步軌道星座發(fā)送至地面站，可為金星到小行星帶，乃至木星軌道范圍內(nèi)的各類深空飛行器提供測控通信導(dǎo)航服務(wù)，拓?fù)淙鐖D8所示。

圖7 DSN組網(wǎng)示意圖

圖8 UNICON組網(wǎng)示意圖

文獻(xiàn)[41]建議我國天基深空光通信系統(tǒng)的構(gòu)建應(yīng)與第三代或第四代地球軌道數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星相結(jié)合，布設(shè)在太平洋上空的同步靜止軌道上，系統(tǒng)配置采用1 m～2 m孔徑的光學(xué)系統(tǒng)對準(zhǔn)深空通信目標(biāo)，至少應(yīng)具備支持月球和火星任務(wù)光通信的能力。來自深空的數(shù)據(jù)經(jīng)過太平洋上空的中繼衛(wèi)星星間光學(xué)鏈路就可以傳送到定點在我國大陸上空的中繼衛(wèi)星，再轉(zhuǎn)換為Ka頻段鏈路傳送到地面。未來還可以結(jié)合載人月球和火星探測任務(wù)的需求，逐步補充具備支持深空光通信能力的中繼衛(wèi)星數(shù)量，最終建成可實現(xiàn)連續(xù)覆蓋的天基深空光通信系統(tǒng)。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)化及生態(tài)發(fā)展

全球許多空間機構(gòu)都在積極開展空間光通信基礎(chǔ)建設(shè)，對于LOP-G，Moon Village這樣大型的項目，需要不同機構(gòu)協(xié)作，以降低任務(wù)成本和風(fēng)險。同射頻系統(tǒng)一樣，只有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)才能使得各個設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)互通?？臻g光通信標(biāo)準(zhǔn)化組織主要有空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會CCSDS（Consultative Committee for Space Data Systems）和跨機構(gòu)操作咨詢組織IOAG（Interagency Operation Advisory Group），CCSDS發(fā)布的藍(lán)皮書已將深空星-地光通信納入高光子效率HPE（High Photon Efficiency）應(yīng)用場景，并規(guī)定了物理層、編碼與同步標(biāo)準(zhǔn)建議，最近也將LOP-G項目中的用例，包括LOP-G對地、LOP-G對月球表面、LOP-G對月球軌道衛(wèi)星、LOP-G對載人飛船間的光通信納入到HPE應(yīng)用場景中。同時，CCSDS也開展大氣特征的標(biāo)準(zhǔn)研究，以準(zhǔn)確預(yù)測大氣影響而進(jìn)行鏈路切換，保證可通率。NASA、ESA等組織非常重視標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，將空間光通信技術(shù)發(fā)展、飛行任務(wù)和標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)相結(jié)合，并將標(biāo)準(zhǔn)化作為產(chǎn)品組成的一部分。從圖9可以看出，NASA新增的每一個任務(wù)場景都納入到標(biāo)準(zhǔn)建議中，任務(wù)和標(biāo)準(zhǔn)化緊密結(jié)合。

圖9 NASA深空光通信項目及協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展

深空光通信工程難度大、周期長、產(chǎn)業(yè)化較難形成。盡管在結(jié)構(gòu)、熱和光學(xué)設(shè)計上深空光端機相對于近地光通信端機有較大不同，但可以通過模塊化設(shè)計盡可能做到重用，以降低深空通信設(shè)備的成本和工程難度，同時盡可能吸納更多的企業(yè)參與。圖10所示為MIT林肯實驗室研制的模塊化、靈活、可擴展激光終端MAScOT（Modular，Agile，Scalable Optical Terminal）[42]，采用模塊化設(shè)計，部分模塊由工業(yè)界商業(yè)公司提供，通過較小的擴展，可應(yīng)用于NASA的激光通信中繼演示LCRD（Laser Communications Relay Demonstration）項目LEO-空間站通信，以及O2O項目月地通信中。

注：TRA-天線和中繼光學(xué)系統(tǒng)，LGA-鎖緊和二維轉(zhuǎn)臺，TCS-熱控系統(tǒng)，BOA-后端光學(xué)系統(tǒng)

4 對我國深空光通信發(fā)展的建議

4.1 在深空化、高速化、小型化上開展重點研究

建議深空光通信從深空化、高速化和小型化開展重點研究。深空化包括大功率發(fā)射技術(shù)、大口徑或陣列天線收發(fā)技術(shù)、超高靈敏度探測技術(shù)、自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)、無信標(biāo)快速捕獲技術(shù)；高速化包括適應(yīng)深空場景的高階調(diào)制技術(shù)、多參量復(fù)用技術(shù)和高效編解碼技術(shù)；小型化包括光子集成技術(shù)、光電集成技術(shù)以及系統(tǒng)功能設(shè)計優(yōu)化。深空光通信要充分借鑒地面光纖通信和近地通信技術(shù)，結(jié)合深空信道環(huán)境，促進(jìn)關(guān)鍵理論和應(yīng)用技術(shù)上的突破。

4.2 優(yōu)先構(gòu)建深空-數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星-LEO衛(wèi)星的光通信網(wǎng)絡(luò)

深空通信具有時延大、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓焖佟㈡溌窋嗬m(xù)和誤碼率高的特點，當(dāng)前點對點通信方式難以保證數(shù)據(jù)可靠傳輸，構(gòu)建星際通信網(wǎng)絡(luò)是未來發(fā)展的必然趨勢。此外，我國沒有地緣優(yōu)勢，全球全天候覆蓋的OGS站址難以獲取。建議優(yōu)先構(gòu)建深空-數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星-LEO衛(wèi)星的光通信網(wǎng)絡(luò)，依托迅速發(fā)展的近地衛(wèi)星通信網(wǎng)，解決數(shù)據(jù)回傳最后一跳受大氣影響的問題，使深空探測鏈路均衡，保證可靠性和可通率。

4.3 重視標(biāo)準(zhǔn)化及產(chǎn)業(yè)化生態(tài)

建議持續(xù)跟蹤CCSDS在空間光通信方面的工作進(jìn)展，及時掌握國際上空間激光通信主流技術(shù)體制及其標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展動向，有利于我國對后續(xù)深空光通信技術(shù)發(fā)展方向的把握和技術(shù)狀態(tài)的更新。把創(chuàng)新技術(shù)納入到標(biāo)準(zhǔn)體系中，提升我國在該領(lǐng)域的競爭力。在協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化的同時，也重視通信端機的標(biāo)準(zhǔn)化和系列化。系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)充分運用模塊化和可擴展的設(shè)計方法，依托近地星間光通信產(chǎn)業(yè)化生態(tài)，吸納更多的企業(yè)參與，加速深空光通信工程化進(jìn)程。

4.4 開展地月激光通信驗證

我國計劃在探月四期開展月地激光通信技術(shù)驗證[43]。當(dāng)前，各研究單位已對近地光通信鏈路進(jìn)行了關(guān)鍵技術(shù)的演示驗證，取得了一系列成果，但未進(jìn)行深空環(huán)境下的在軌驗證。深空光通信在軌驗證要求高，地面演示系統(tǒng)又難以滿足真實的深空環(huán)境要求。針對月地光通信鏈路的驗證，建議可借鑒NASA的Lunar Testbed的演示驗證方案[44]，即通過阿波羅號登月時留下的角錐反射器陣列進(jìn)行月地往返通信測試，可真實模擬月地間相對運動、大氣和自由空間信道、AU級能量衰減，對激光通信設(shè)備、新研究的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行地面驗證，降低驗證難度，提高技術(shù)成熟度。

5 結(jié)束語

綜合當(dāng)前深空光通信發(fā)展現(xiàn)狀，美國和歐洲在深空光通信領(lǐng)域研究較早，技術(shù)研究覆蓋全面，且已開展了實質(zhì)性的在軌驗證并取得了關(guān)鍵技術(shù)上的突破。國內(nèi)深空光通信處于起步階段，缺少系統(tǒng)性的研究和工程實踐。我國已經(jīng)啟動月球探測和行星探測工程，未來也將規(guī)劃啟動距離更遠(yuǎn)的小行星探測、主帶彗星探測、火星采樣返回和木星系探測等任務(wù)。為了保障這些遠(yuǎn)距離探測任務(wù)的順利完成，構(gòu)建起與之匹配的深空通信能力意義重大。為保證未來我國行星際探測順利實施，亟待大力發(fā)展深空光通信技術(shù)，在相關(guān)基礎(chǔ)理論、系統(tǒng)工程技術(shù)和演進(jìn)路線上展開深入研究，并帶動相關(guān)信息技術(shù)、航天技術(shù)和工程技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

[1] Radio frequency and modulation systems—part 1 earth stations and spacecraft: Recommended standard CCSDS 401.0-B- 32[S]. Consultative committee for space data systems (CCSDS), 2021. https://public.ccsds.org/Pubs/401x0b32.pdf

[2] 中國的航天-《中國的航天》白皮書摘登[J]. 航天標(biāo)準(zhǔn)化, 2001(1): 1–3.

[3] 中華人民共和國國務(wù)院新聞辦公室. 2021中國的航天白皮書[R/OL]. (2022-01-28) http://www.gov.cn/zhengce/2022-01/28/content_5670920.htm.

[4] CORNWELL D. Laser communication from the moon at 622 Mb/s[EB/OL]. (2014-04-15) [2020-03-31]. http://spie.org/news/5368-laser-communication-from-the-moon -at-622mb/s?SSO=1.

[5] HEMMATI H, BISWAS A, DJORDJEVIC Ivan B, et al. Deep-space optical communications: future perspectives and applications[J]. Proceedings of the IEEE, 2011, 99(11): 2020–2039.

[6] BOROSON D M, ROBINSON B S, MURPHY D V, et al. Overview and results of the lunar laser communication demonstration[C]// Proc. SPIE, 2014, 8971: 89710S.

[7] BISWAS A, SRINIVASAN M, PIAZZOLLA S, et al. Deep space optical communications[C]// Proc. SPIE, 2018, 10524: 105240U.

[8] ROBINSON B S, SHIH T, KHATRI F I, et al. Laser communications for human space exploration in cislunar space: ILLUMA-T and O2O[C]// Proc. SPIE, 2018, 10524: 10524S.

[9] GARGIONI G, ALEXANDRE D, PETERSON M, et al. Multiple asteroid retrieval mission from lunar orbital platform-gateway using reusable space crafts[C]// IEEE Aerospace Conference, 2019.

[10] EDWARDS B L. NASA’s optical communications programs[EB/OL]. (2019-05-21) [2022-03-31]. https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20190025298/downloads/20190025298.pdf.

[11] ARNOLD F, MOSBERGER M, WIDMER J, et al. Ground receiver unit for optical communication between LADEE spacecraft and ESA ground station[C]// Proc. SPIE, 2014, 8971: 89710M.

[12] SODNIK Z, HEESE C, CARNELLI I, et al. Multi-purpose laser communication system for the asteroid impact mission(AIM)[C]// 2015 IEEE International Conference on Space Optical Systems and Applications (ICSOS), 2015.

[13] SODNIK Z, HEESE C, ARAPOGLOU P D, et al. Deep-space optical communication system(DOCS) for ESA’s space weather mission to Lagrange Orbit L5[C]// 2017 IEEE International Conference on Space Optical Systems and Applications (ICSOS), 2017.

[14] DROUET M M, NADER J, NADER R, et al. Internet for the moon: Possible communication architectures for connecting the moon village to the internet[C]// 69th International Astronautical Congress(IAC), 2018.

[15] DADDATO R J, SCHULZ K J, ZAYER I, et al. Deep space science downlinks via optical communication[C]// 2011 IEEE International Conference on Space Optical Systems and Applications (ICSOS), 2011.

[16] NEGAR F P, K?RCHER H J, SURE T. Design and concepts for a 12 m optical communication antenna[C]// 2017 IEEE International Conference on Space Optical Systems and Applications (ICSOS), 2017.

[17] THOMAS R W. Discovery deep space optical communications (DSOC) transceiver[C]// Proc. SPIE, 2017, 10096: 100960V.

[18] MURPHY D V, KANSKY J E, GREIN M E, et al. LLCD operations using the lunar lasercom ground terminal[C]// Proc. SPIE, 2014, 8971: 89710V.

[19] FISCHER E, FERIENCIK M, KUDIELKA K, et al. ESA optical ground station upgrade with adaptive optics for high data rate satellite-to-ground links-test result[C]// 2019 IEEE International Conference on Space Optical Systems and Applications (ICSOS), 2019.

[20] MOHAGEG M, LORIO M C, HOPPE D J, et al. Minimizing effect of sun-earth-probe angle for RF/optical hybrid telescope[C]// Proc. SPIE, 2020, 11272: 11272K.

[21] MIRANDA F A, TEDDER S A, VYHNALEK B E, et al. An overview of key optical communications technologies under development at the NASA Glenn Research Center[C]// Proc. SPIE, 2021, 11692: 116920X.

[22] ORTIZ G G, LEE S. Acquisition, tracking, and pointing using earth thermal images for deep space optical communicati- ons[C]. IEEE the 16th Annual Meeting of the IEEE Lasers and Electro-Optics Society, 2003.

[23] ARETSKIN-HARITON E D, SWANK A J, GRAY J. Beaconless optical communication system constraints[EB/OL]. (2019-08-14) [2020-03-31]. https://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=20190002792.

[24] HAYDEN W L, MCCULLOUGH T, RETH A, et al. Wide-band precision two-axis beam steerer tracking servo design and test results[C]// Proc. SPIE, 1993, 1866: 271–279.

[25] SRINIVASAN M, ANDREWS K S, et al. Photon counting detector array algorithms for deep space optical communicati- ons[C]// Proc. SPIE, 2016, 9739: 97390X.

[26] DINU M, AHRENS R, SOCHOR T, et al. Qualification and performance of a high efficiency laser transmitter for deep-space optical communications[C]// Proc. SPIE, 2022, 11993: 119930G.

[27] 白鵬, 張月蘅, 沈文忠. 半導(dǎo)體上轉(zhuǎn)換單光子探測技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 物理學(xué)報, 2018, 67(22): 37–53.

BAI Peng, ZHANG Yueheng, SHEN Wenzhong. Research progress of semiconductor up-conversion single photon detection technology[J]. Acta Physica Sinica, 2018, 67(22): 37–53.

[28] PES S, ROTHMAN J, BLEUET P, et al. Reaching GHz single photon detection rates with HgCdTe avalanche photodiodes detectors[C]// Proc. SPIE, 2020, 11852: 118525S.

[29] ZHANG T, DANG H Z, ZHA R, et al. Investigation of a 1.6 K space cryocooler for cooling the superconducting nanowire single photon detectors[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2021, 31(5): 500105.

[30] VYHNALEK B E, DOWNEY J N, TEDDER S A. Single-photon counting detector scalability for high photon efficiency optical communications links[C]// Proc. SPIE, 2020, 11272: 112721A.

[31] WEN G, HUANG J, ZHANG L, et al. A high-speed and high-sensitivity photon-counting communication system based on multichannel SPAD detection[J]. IEEE Photonics Journal, 2021, 13(2):7900310.

[32] TEDDER S A, VYHNALEK B E, SAVAL S L, et al. Single-mode fiber and few-mode fiber photonic lanterns performance evaluated for use in a scalable real-time photon counting ground receiver[C]// Proc. SPIE, 2019, 10910: 10910G.

[33] ENGIN D, LITVINOVITCH S, GILMAN C, et al. 50 W, 1.5 μm, 8 WDM (25 nm) channels PPM downlink Tx for deep space lasercom[C]// Proc. SPIE, 2021, 11678: 116780K.

[34] DJORDJEVIC I B. Deep-space and near-earth optical communications by coded orbit angular momentum(OAM) modulation[J]. Optics Express, 2011, 19(15): 14277–14289.

[35] EDWARDS B L, DADDATO R, SCHLZ K J, et al. An update on the CCSDS optical communications working group interoperability standards[C]// 2019 IEEE International Conference on Space Optical Systems and Applications (ICSOS), 2019.

[36] KAUSHAL H, KADDOUM G. Optical communication in space: Challenges and mitigation techniques[J]. IEEE Communi- cations Surveys & Tutorials, 2017, 19(1): 57–96.

[37] DEUTSCH L J, TOWNES S A. Deep space network: The next 50 years[EB/OL]. (2016-05-16) [2022-03-31]. https://arc.aiaa.org/doi/pdf/10.2514/6.2016-2373.

[38] 李涼海, 劉向南, 李曉亮. 深空激光通信進(jìn)展及應(yīng)用研究[J]. 深空探測學(xué)報, 2019, 6(6): 523–529.

LI Lianghai, LIU Xiangnan, LI Xiaoliang. Progress and application research of deep space laser communication[J]. Journal of Deep Space Exploration, 2019, 6(6): 523–529.

[39] ARAKI T. A trade-off study of lunar-earth optical communication links[C]// Proc. SPIE, 2021, 11852: 118521X.

[40] 中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心. 一種天基深空中繼衛(wèi)星組網(wǎng)系統(tǒng): 108494472 A[P]. (2018-09-28) [2022-03-31].

[41] 李海濤. 中國深空測控網(wǎng)光通信技術(shù)途徑分析與發(fā)展展望[J]. 紅外與激光工程, 2020, 49(5): 20–32.

LI Haitao. Technical approach analysis and development prospects of optical communication technology in China deep space TT&C network(Invited)[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(5): 20–32.

[42] GILLMER S R, SMEATON C V, BURNSIDE J W, et al. Demonstration of a modular, scalable, laser communication terminal for human spaceflight missions[C]// Proc. SPIE, 2021, 11816: 11816E.

[43] 吳偉仁, 李海濤, 李贊, 等. 中國深空測控網(wǎng)現(xiàn)狀與展望[J]. 中國科學(xué)(信息科學(xué)), 2020, 50(1): 87–108.

WU Weiren, LI Haitao, LI Zan, et al. Status and prospect of China's deep space TT&C network[J]. Science in China (Information Sciences), 2020, 50(1): 87–108.

[44] VILNROTTER V A, THILL M D, HOPPE D J. Lunar testbed for demonstrating deep-space optical communications, ranging and secret key distribution[EB/OL]. (2021-08-15) [2022-03-31]. https://ipnpr.jpl.nasa.gov/progress_report/42-226/ 42-226B.pdf.

Status and development trends of deep space optical communication

LUO Tong1, WANG Weizhi1, XUE Jiayin1, DING Runwei1, ZHANG Qinyu1,2

（1. Peng Cheng Laboratory, Shenzhen 518052, China;2. Harbin Institute of Technology (Shenzhen), Shenzhen 518052, China）

Deep space communication is an essential guarantee for the implementation of deep space explorations. Laser communication has the characteristics of high data rate, small size, light weight and low power consumption, and has become the main trend of the future development of deep space communication. In this paper, the development status and trends of deep space optical communication system are summarized, and the composition and key technologies of deep space optical communication system are analyzed. On this basis, some suggestions for the development of deep space optical communication in China are given in terms of future technology development, networking planning, standardization and ecology evolution, demonstration and verification.

Deep space optical communication; ATP; Deep space commnunication network

V443+.1

A

CN11-1780(2022)04-0044-12

10.12347/j.ycyk.20220518001

羅彤, 王偉志, 薛佳音, 等.深空光通信技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 遙測遙控, 2022, 43(4): 44–55.

10.12347/j.ycyk.20220518001

: LUO Tong, WANG Weizhi, XUE Jiayin, et al. Status and development trends of deep space optical communication[J]. Journal of Telemetry, Tracking and Command, 2022, 43(4): 44–55.

鵬城實驗室重大攻關(guān)項目（PCL2021A03-1）

張欽宇（zhangqy@pcl.ac.cn）

2022-05-18

2022-06-28

Website: ycyk.brit.com.cn Email: ycyk704@163.com

羅 彤 1971年生，博士，工程師，主要研究方向為星間激光通信。

王偉志 1985年生，碩士，工程師，主要研究方向為無線通信。

薛佳音 1985年生，博士，助理研究員，主要研究方向為空間探測、信息傳輸、信號處理等。

丁潤偉 1983年生，博士，高級工程師，主要研究方向為信息傳輸與處理、機器學(xué)習(xí)等。

張欽宇 1972年生，博士，教授，主要研究方向為空天信息網(wǎng)絡(luò)、深空通信等。

(本文編輯：傅 杰)