遠望智庫技術(shù)預(yù)警中心：不會游泳的魚

摘要：為了滿足日益增長的大數(shù)據(jù)量、高速數(shù)據(jù)傳輸速率的需求，NASA、ESA、JAXA等航天機構(gòu)正在開啟空間激光通信技術(shù)的時代。各國紛紛在GEO-LEO，LEO-LEO，LEO-地面，以及地-月等不同軌道驗證了激光通信終端的在軌性能。本文介紹了國外開展的激光通信技術(shù)演示驗證試驗情況，分析了激光通信技術(shù)未來發(fā)展趨勢。期望通過該技術(shù)的研究，對我國激光通信技術(shù)的發(fā)展提供參考借鑒。

1 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。激光通信系具有傳輸速率更高、抗干擾性更強、體積更小等特點，在全球通信中的作用日趨明顯。本文主要探討激光通信的技術(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。

2 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，是有別于當前廣泛采用的星間射頻通信的一種新手段，它具有以下四個方面的優(yōu)點：

數(shù)據(jù)傳輸率高，通信容量大。星間光通信其載波頻率在1013-1015Hz，比微波通信高出幾個數(shù)量級，單通道就可提供高達10Gbps量級以上的數(shù)據(jù)傳輸率，遠大于目前微波通信幾百Mbps的數(shù)據(jù)傳輸率。通過波分復(fù)用可以達到數(shù)百Gbps以上。

較小的發(fā)射功率需求。光束發(fā)散角遠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遠大于微波通信。

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)的重量和體積相對更小更輕。

高保密性和抗干擾能力。與射頻通信不同，激光通信是采用點對點的通信模式，因而具有高保密、抗干擾性強、截獲能力強的特點，所以在軍事領(lǐng)域起到越來越重要的作用。盡管激光通信應(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行復(fù)合模式工作，已經(jīng)成為未來軍事通信的趨勢。

下表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

3 國外激光通信演示驗證試驗

3.1 深空激光通信

3.1.1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（LunarAtmosphere and Dust Environment Explorer，LADEE）攜帶了LLCD通信終端發(fā)射升空。

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)射的信標光并成功進行了跟蹤。之后，分別進行了下行622Mbps，上行20Mbps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，通信終端都成功的建立了激光鏈路。并且在上行20Mbps的試驗中，首次實現(xiàn)了全程無誤碼傳輸?shù)慕Y(jié)果。這是人類歷史上月地之間通信上行鏈路的最好成績。相比目前微波通道的上行數(shù)據(jù)率僅為1~2 kbps，提高是巨大的。

圖1 LADEE的激光通信試驗

（1）試驗?zāi)繕?/span>

• 驗證地-月距離（約為38萬公里）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)

• 遠距離（380000km）
• 高數(shù)據(jù)率：上行10~20Mbps（目前月-地間微波通道速率上行 1~10Kbps）；下行：40~622Mbps；
• 驗證激光穿透薄云通信能力（Cloud Turbulence）；
• 驗證地面站之間切換技術(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39Mbps）。

（3）方案設(shè)計

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

星上終端總質(zhì)量32.8kg，功率136.5W，由光學(xué)艙、電子艙和調(diào)制解調(diào)艙三部分組成。主要技術(shù)指標如下：

圖2 LADEE和激光通信終端

表2LLCD的指標參數(shù)

LLCD試驗有三個地面接收系統(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），ESA的LLOGS（位于西班牙Tenerife島）。

圖3 美國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）

LLGT為LLCD的主要地面終端，這是一個移動型地面接收系統(tǒng)。具有溫控外殼，高約4.5m，總質(zhì)量7t，與目前的無線電通信地面天線相比，尺寸和重量減少約75%。 LLCD 的目標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）

3.1.2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 CommunicationDemonstration，MLCD）項目，目的是提供深空光學(xué)鏈路的早期經(jīng)驗。該項目由NASA／哥達德航天飛行中心（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，中止了MLCD項目。但是在MLCD項目進行期間，深空光學(xué)通信要求的定義和設(shè)計是非常先進的，該項目對于來自空間的波束穩(wěn)定化和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)都進行了開發(fā)。

（1）試驗?zāi)繕?/span>

• 演示火-地下行光通信鏈路，在可行的條件下，數(shù)據(jù)率為10-100Mbps
• 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10kbps
• 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) 1.1 Tbps/天（相當于NASA 火星探測軌道器1天存儲數(shù)據(jù)量）；上行：100kbps~2Mbps；下行：0.7 - 260 Mbps
• 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39Mbps）

（3）方案設(shè)計

MLCD包括星上終端（MLST）和地面移動終端（LLGT）兩部分。MLCD質(zhì)量38kg，平均功率不超過110W。下行鏈路最大速率260Mbps，上行鏈路最大速率2-292kbps，可抵抗20krad輻射。

圖5 MLCD鏈路示意圖及激光通信終端布局圖

星上終端（MLST）由光學(xué)機構(gòu)和電子控制機構(gòu)組成。光學(xué)機構(gòu)發(fā)射/接收口徑：30cm；束散角：15μrad；下行發(fā)射功率：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，底座進行主動隔振。電子艙采用疊板結(jié)構(gòu)，共由四部分組成：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構(gòu)型詳見下圖。

圖6 火星激光通信星上終端

地面終端包括兩個地面站，一個為Hale望遠鏡，位于帕洛馬山(美國加利福尼亞州西南部)，接收口徑5.08m (200-inch)；第二個是LDES望遠鏡，兩個轉(zhuǎn)動機構(gòu)，每個結(jié)構(gòu)上安裝兩個口徑0.8m的望遠鏡，通過光纖耦合形式進行發(fā)射和接收光信號。

圖7 MLCD地面接收望遠鏡結(jié)構(gòu)（Hale）

圖8 MLCD 地面接收望遠鏡多孔徑接收

3.2 星間激光通信

3.2.1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 satellitelink Experiment ，SILEX）是世界上首個星間激光通信鏈路。SILEX系統(tǒng)組成包括GEO 星上終端- ARTEMIS（ESA 2001）和LEO 星上終端- SPOT-4 （French 1998）。作為SILEX計劃重要組成部分，ARTEMIS搭載的激光通信終端成功同相距40000km遠的SPOT-4之間建立了激光鏈路，數(shù)據(jù)以50Mb/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

SILEX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 20Mbps/下行：50 Mbps。SILEX的主要技術(shù)指標：

表3SILEX通信鏈路指標參數(shù)

3.2.2 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）成功進行了自由空間軌道間激光通信試驗。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 UtilizingCommunications Equipment，LUCE）。

（1）試驗?zāi)康?/span>

• 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)艙和電子艙兩部分。光學(xué)艙包括一個安裝在兩軸驅(qū)動萬向架上的望遠鏡，電子艙提供捕獲、跟蹤和瞄準的功能。光學(xué)天線如下圖所示，由一個直徑為26cm中央饋源的卡賽格倫望遠鏡組成。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 通信鏈路指標參數(shù)見下表，LUCE終端見下圖。

圖10 OICETS衛(wèi)星及其星上通信終端LUCE

表4ARTEMIS -OICETS通信鏈路指標參數(shù)

2005年12月，ARTEMIS和OICETS進行了星間激光通信鏈路試驗。本次試驗的不僅成功進行了激光通信試驗，而且成功完成了JAXA和ESA之間雙向通信。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）之間實現(xiàn)了光通信實驗，在國際上首次實現(xiàn)低軌衛(wèi)星與光學(xué)地面站的激光通信試驗。本次試驗計劃的成功進一步推動了星間通信以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

3.2.3中繼激光通信演示驗證（GEO-地面）

繼月-地激光通信試驗（LLCD）之后，NASA進行了激光通信中繼演示衛(wèi)星（Laser Relay CommunicationDemonstration -LRCD）項目，計劃2018年3月發(fā)射。LCRD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 LCRD激光通信鏈路體系架構(gòu)

（1）試驗?zāi)繕?/span>

• 在GEO實現(xiàn)上行10M~20Mbps，下行2.88Gbps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)

• 驗證高軌以及近地軌道通信終端對地面終端捕獲技術(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)以及跟蹤等技術(shù)；
• 驗證DPSK技術(shù)以及單光子計數(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。

圖13 衛(wèi)星平臺和星上通信終端

3.2.4TerraSAR-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以及GEO與地面站之間的激光鏈路驗證自由空間相干通信的可靠性。用于星間激光通信的兩個終端LCTs（Laser CommunicationTerminal），分別于2007年4月23日搭載美國的LEO衛(wèi)星NFIRE和2007年6月14日搭載德國的LEO衛(wèi)星TerraSAR-X發(fā)射升空。隨后，在2008年2月21日成功進行了國際上首次星間相干激光通信實驗。

圖14 安裝在TerraSAR-X艙外的LCT系統(tǒng)

表5 LCTSX 通信計劃（LEO-LEO）- 數(shù)據(jù)率最高星間激光通信試驗

之后，ESA為了推進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 RelaySatellite，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。該計劃于2013年開始實施。

4 激光通信的關(guān)鍵技術(shù)

空間激光通信主要有以下幾點關(guān)鍵技術(shù)：

（1）大功率光源技術(shù)

鑒于空間光通信傳輸距離長及空間損耗大的特點，要求光發(fā)射機輸出功率大，且調(diào)制速率高。光源一般采用半導(dǎo)體激光器或半導(dǎo)體泵浦的YAG固體激光器，既可作為信號光源，也可作為信標光源。工作波長為0.8 -1.5μm近紅外波段。信標光源應(yīng)能提供幾瓦量級的連續(xù)光或脈沖光，以便在大視場與高背景光干擾下，能快速、精確地捕獲和跟蹤目標，可采用大功率單管或多管芯陣列組合以提高功率。通常信標光的調(diào)制頻率為幾十赫茲至幾千赫茲，以克服背景光的干擾。信號光則選擇輸出功率為幾十毫瓦的半導(dǎo)體激光器，要求輸出光束質(zhì)量好、發(fā)散角小，調(diào)制頻率高（可達幾十GHz）。

（2）高靈敏度抗干擾的光信號接收技術(shù)

空間光通信系統(tǒng)中，光接收機收到的信號十分微弱，加之高背景噪聲場的干擾，導(dǎo)致接收端信噪比（S/N）<1。為了快速、精確地捕獲目標和接收信號，通常采取兩方面的措施：一是提高接收端機的靈敏度，二是對所接收信號進行處理。在光信道上采用光窄帶濾波器(干擾濾光片或原子濾光器等)，以抑制背景雜散光的干擾，在電信道上則采用微弱信號檢測與處理技術(shù)。

（3）精密、可靠及高增益的收發(fā)天線

為完成系統(tǒng)的雙向互逆跟蹤，空間光通信系統(tǒng)均采用收、發(fā)合一天線，隔離度近100%的精密光機組件。由于半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量一般較差，要求天線增益要高。另外，為適應(yīng)空間系統(tǒng)，天線（包括主副鏡，合束、分束濾光片等光學(xué)元件）總體結(jié)構(gòu)要緊湊、輕巧、穩(wěn)定可靠。目前天線口徑一般為幾厘米至25 cm。

（4）高靈敏度抗干擾接收機技術(shù)

星間距離可長達4萬km，而激光波束的強度是按距離的平方遞減的，也就是說衰減可能達到-152 dB。接收機要有超高的靈敏度才行，否則背景輻射等噪聲產(chǎn)生的誤碼率將使接收機無法接收。目前，除提高檢測器本身靈敏度外，還在探討外差接收及糾錯編碼等途徑。

（5）精確的瞄準、捕獲和跟蹤（PAT）技術(shù)

激光信標發(fā)射的光束很窄，在相距極遠（4萬km）的兩衛(wèi)星之間，必須保證信標的發(fā)射波束能夠覆蓋接收機的接收天線，接收端能夠捕捉并跟蹤發(fā)射端的窄光束。由于姿態(tài)監(jiān)測控制系統(tǒng)誤差、參照系計算誤差以及其它系統(tǒng)誤差的存在，在收發(fā)雙方互相對準之后總有一個不確定角。為了緩解對空間瞄準、捕獲和跟蹤系統(tǒng)苛刻的要求，同時加快通信鏈路建立速度，接收機的視場角一定要寬，為幾毫弧度，靈敏度為-110 dbW，跟蹤精度為幾十毫弧度。然而，這樣接收的背景輻射功率就會迅速上升，掩埋其中的信標信號。解決這一問題的關(guān)鍵在于接收機中使用超窄帶寬、高透射率的光學(xué)濾波器。

系統(tǒng)完成目標捕獲后，對目標進行瞄準和實時跟蹤。通常采用四象限紅外探測器QD或Q-APD高靈敏度位置傳感器來實現(xiàn)，并配以相應(yīng)的電子學(xué)伺服控制系統(tǒng)。精跟蹤要求視場角為幾百微弧度，跟蹤靈敏度為-90 dbW，跟蹤精度為幾微弧度。太陽光為地球表面的云層、積雪和海洋反射所產(chǎn)生的強烈背景輻射。對于GEO和LEO之間的通信鏈路建立，這是一個巨大的挑戰(zhàn)（此外還有太陽、月亮、金星等天體的背景輻射）。

5 激光通信技術(shù)的發(fā)展趨勢

5.1 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：

l 技術(shù)驗證階段（2012-2014）：演示驗證星上終端技術(shù)、星地對接技術(shù)；

l 技術(shù)驗證階段（2012-2014）：建立技術(shù)標準化，包括：與平臺的數(shù)據(jù)交換技術(shù)；瞄準、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)。

l 工程應(yīng)用階段（2020-2025）：光學(xué)終端研制、光學(xué)終端飛行驗證。

5.2 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，從最初的2Mbps已經(jīng)發(fā)展到當前的Gbps量級，將來的規(guī)劃已經(jīng)達到幾十Gbps量級，逐漸發(fā)揮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探測器帶寬有限。因此，通信碼率較低，一般小于1Gbps。目前，采用1550nm波段進行激光通信，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。

5.3 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，完成測距與通信功能。2005年John J．Degnan提出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，這是復(fù)合系統(tǒng)的最初構(gòu)想。此后，俄羅斯完成在軌通信/測距復(fù)合實驗。2013年美國進行的月地激光通信試驗，就帶有測距功能。歐洲LISA(Laser InterferometerSpace Antenna)通過距離精密測量反演地球重力波場，相干激光外差完成超遠距離下精密距離測量，同時兼具通信功能。

5.4 深空將成為激光通信應(yīng)用的重要場所

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。光學(xué)通信將能滿足未來科學(xué)儀器所需的傳輸速度。例如，火星勘測軌道器（MRO）最大傳輸速率是6Mbps（目前火星探測任務(wù)的最高傳輸速率），大約需要7.5小時清空在軌記錄器，需要1.5小時傳輸一張高分辨率照片至地球。而光學(xué)通信的傳輸速率將提升到100 Mbps，僅需26分鐘清空記錄器，傳輸同樣照片的速度僅為5分鐘。所以，對于未來深空科學(xué)任務(wù)而言，研制新型的高速傳輸終端需求迫切性不言而喻。

6 結(jié)束語

激光通信能夠突破射頻通信傳輸速率低的瓶頸，其通信終端具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低等特點，能在降低部署空間探測器成本的同時，為實時通信和3D高清視頻提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更好的傳輸質(zhì)量。此外，在未來星間、星地，以及面向深空的空間通信主干網(wǎng)中，大容量數(shù)據(jù)傳輸通道一定會是由光通信技術(shù)來實現(xiàn)，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。