空間激光通信研究現狀及發(fā)展趨勢

付 強，姜會林*，王曉曼，劉 智，佟首峰，張立中

(1.長春理工大學空間光電技術研究所，吉林長春130022; 2.長春理工大學電子信息工程學院，吉林長春130022)

1 引言

空間激光通信經過多年探索取得了突破性進展，已成為解決微波通信瓶頸、構建天基寬帶網、實現對地觀測海量數據實時傳輸的有效手段，具有很大的民用和軍用潛力。其優(yōu)勢主要體現在［1］:

(1)光波頻率高。其頻率比微波頻率高3～4個數量級，作為通信的載波有更寬的利用頻帶，可實現海量數據實時傳輸，對于地球科學研究、環(huán)境災害監(jiān)測、軍事信息獲取等應用意義重大。

(2)光波波長短。與微波相比其發(fā)射天線口徑成倍減小，同時激光發(fā)散角小，能量高度集中，功率相對較低，使得通信終端在體積、重量和功耗方面都具有明顯優(yōu)勢。該特點使得光通信終端易于搭載多種平臺，實用化程度高。

(3)激光方向性好。它的發(fā)射光束極窄，使得激光通信具有高指向性，而且能夠有效地提高防竊聽能力，使得對地觀測數據傳輸具有極高的保密性。

(4)光波波段遠離電磁波譜。空間激光通信抗干擾能力比空間微波通信強得多，在機場、戰(zhàn)區(qū)等特殊環(huán)境下，仍能保證對地觀測數據的順暢傳輸。

(5)空間激光通信經過大氣時，通過選擇適宜的波長、采用多點布站、自動浮動閾值、自適應光學等措施可以有效減少氣候及天氣的影響。

因此，先進的空間激光通信將對信息時代，特別是數據海量傳輸技術的發(fā)展起到極大的促進和支撐作用。

2 國外空間激光通信研究現狀

近年來空間激光通信的研究已成為熱點，特別是美國、歐洲、日本等國家投入了大量的財力和技術力量［2-4］。國外針對空間光通信鏈路的主要成功試驗及計劃情況見表1。

表1 國外主要空間光通信任務及參數指標統計表Tab.1 Statistics of foreign space optical communication plans and parameters

Table continued

2.1 歐 洲

歐洲是空間激光通信技術的引領者，研究機構有歐空局(ESA)、Matra Marconi Space公司和Oerliken公司等。其中ESA的衛(wèi)星間激光通信(SILEX)系統和德國的LCTSX系統分別標志著空間激光通信發(fā)展的兩個里程碑。

(1)SILEX系統

ESA從1985年開始實施SILEX計劃，主要目的是在試驗基礎上驗證衛(wèi)星間激光通信的所有技術，SILEX系統如圖1所示。其中以數據中繼衛(wèi)星ARTEMIS為代表，其接收速率為50 Mbps，波長為847 nm的非歸零(NRZ)調制信號，然后調制到Ka波段將數據轉發(fā)到RF地面站(Redu，比利時)，其通信波長為819 nm，可發(fā)射2 Mbps速率的脈沖位置調制(PPM)信號。

圖1 SILEX系統Fig.1 SILEX System

2001年11月20日，ESA的 ARTEMIS衛(wèi)星上的激光通信終端SILEX與法國地面觀測衛(wèi)星SPOT4首次實現星際間激光通信單工鏈路試驗，其通信波長為800 nm，通信距離為45 000 km，通信速率為50 Mbps，誤碼率為10－6。

2003年3月至2009年，ESA的ARTEMIS衛(wèi)星上的激光通信終端SILEX與光學地面站(OGS)做了大量試驗。據統計，ARTEMIS衛(wèi)星與OGS之間做了393次雙向鏈路試驗，其中失敗了34次，成功概率為91.3%，鏈路保持的總時間為78 h，OGS系統如圖2所示。

圖2 OGS系統Fig.2 OGS system

2005年12月，ESA的ARTEMIS衛(wèi)星上的激光通信終端SILEX與日本OICETS衛(wèi)星的激光通信終端LUCE建立通信鏈路。通信波長為800 nm，通信距離為45 000 km，通信速率上行數據為2 Mbps，下行數據為50 Mbps。

圖3 ARTMIS衛(wèi)星上的激光通信終端SILEX建立的鏈路Fig.3 Established link from laser communication terminal SILEX on satellite ARTEMIS

2006年，法國的LOLA試驗在 ARTEMIS衛(wèi)星和飛機之間展開，如圖3所示。飛機搭載了ELSA終端，ELSA終端是降低了重量和體積的SILEX簡化版。在有湍流的大氣條件下，激光鏈路成功地傳輸了視頻和音頻信號，信號采用了復雜的編碼以處理大氣的衰減和損耗。這次試驗證明了強度調制/直接檢測(IM/DD)方式可以在比較強的大氣湍流條件下工作。

(2)LCTSX通用型終端

德國的TerraSAR-LCTSX終端采用零差二進制相移鍵控(BPSK)相干探測技術，屬于激光星際鏈路研究計劃。TerraSAR-LCTSX星載相干激光終端和搭載它的TerraSAR-X遙感衛(wèi)星如圖4、圖5所示。

圖4 TerraSAR-LCTSX星載相干激光終端Fig.4 LCTSX laser coherent terminal borned on Terra-SAR

圖5 TerraSAR-X遙感衛(wèi)星以及其搭載的激光通信終端Fig.5 Terra SAR-X remote sensing satellite and laser communication terminal

圖6 LCTSX終端地面試驗Fig.6 Ground test of LCTSX terminal

在La Palma和Tenerife兩個島嶼之間進行了自由空間BPSK相干光通信試驗，其傳輸距離為142 km，通信碼速率為5.6 Gbps，如圖6所示。在TerraSAR-LCTSX終端研發(fā)過程中，分析了星載相干激光對地通信系統中光發(fā)射機和光接收機在惡劣的天氣條件下的通信性能。試驗結果表明，零差BPSK光通信技術在大氣信道中具有很好的性能。

搭載LCTSX終端的美國NFIRE衛(wèi)星和德國TerraSAR-X衛(wèi)星分別于2007年4月和6月發(fā)射成功。2008年3月，NFIRE衛(wèi)星與 TerraSAR-X衛(wèi)星通過激光終端在相距6 000 km建立了激光數據傳輸鏈路，進行了空間寬帶數據傳輸，實現了雙向通信5.6 Gbit/s的超高速數據傳輸。在適當的天氣條件下，鏈路可以建立。圖7為這次星地鏈路試驗的誤碼率。

圖7 移動光學地面站Fig.7 Mobile OGS

由上圖可以看出，在通信過程中，由于大氣的影響，鏈路的誤碼率會突發(fā)性地跳動5～6個數量級?？梢?，大氣信道對星地激光通信鏈路的影響及通信誤碼率長期、穩(wěn)定地保持是一個亟待解決的問題。

為了檢驗星地相干通信技術的可行性，TESAT公司建造了移動光學地面站，如圖8所示。

圖8 5.625 Gbps星地相干鏈路試驗誤碼率Fig.8 Error rate of coherent link test at 5.625 Gbps

2.2 美國

圖9 激光通信演示系統(OCD)Fig.9 Laser communication demonstration system

美國衛(wèi)星光通信從20世紀70年代就開始了相關研究，主要研究機構是美國宇航局(NASA)和美國空軍研究實驗室(AFRL)，主要科研單位是加州理工大學噴氣動力實驗室(JPL)和麻省理工學院林肯實驗室(MIT)。還有Thermo Trex公司、Ball Areospace公司也進行了很多研究工作。以下介紹幾個比較有代表性的研究成果:

(1)激光通信演示系統

激光通信演示系統(OCD)由NASA支持的JPL于1994年研制成功，目的是驗證超遠距離星地激光通信的可行性，是一個基于實驗室的演示系統，如圖9所示。OCD的設計集中了當時很多先進的技術，如光束獲取、高帶寬跟蹤、精確光束瞄準和前饋補償等技術。設備包括一個直徑為10 cm的光學天線、一個用于空間獲取的CCD陣列、高帶寬跟蹤裝置。數據率可達250 Mbps，通信波長為0.8 μm，采用開關鍵控(OOK)方式進行數據調制。

(2)STRV-2試驗

搭載在STRV-2上的激光通信終端LCT由美國彈道導彈防御組織(BMDO)支持研究，目的在于演示低軌衛(wèi)星TSX-5與地面站間的上行和下行激光通信，驗證衛(wèi)星與地面間通信速率達到Gbps量級是否可行。

STRV-2的通信單元采用直接調制半導體激光發(fā)射和雪崩光電二極管接收。捕獲對準跟蹤(APT)單元采用波長為0.8 μm的半導體激光作為信標光，CCD探測器接收，銫原子濾波器做背景光抑制。光學天線單元采用發(fā)射端和接收端相互分離的結構，星載終端天線直徑為1.6 cm(發(fā)射)和13.7 cm(接收)，地面站終端天線直徑為30.5 cm(發(fā)射)和40.6 cm(接收)。STRV-2系統采用了多個發(fā)射孔徑，其中星載終端4路，地面站終端12路，減少了大氣閃爍的影響［5］。

2.3 日 本

日本是較早進行光通信研究的國家之一，其研究發(fā)展迅速且取得了重大突破。日本于1995年與美國JPL一起實現了世界上首個星地光通信鏈路，從而證明了星地光通信是可行的。其主要研究機構是郵電省的通信研究實驗室(CRL)、日本宇宙開發(fā)事業(yè)團(NASDA)、日本電氣公司(NEC)和東芝公司(TOSHIBA)。

(1)激光通信試驗

日本的工程測試衛(wèi)星6號(ETS-VI)上所搭載的LCE裝置(如圖10所示)實現了世界上首個星地激光鏈路。ETS-VI于1994年8月發(fā)射升空，由于推進火箭故障，沒有進入預定的地球同步軌道，縮短了生命周期。但通過CRL和NASA的JPL合作，進行了一些空間對地激光通信鏈路試驗。LCE項目主要完成了以下驗證工作:

a)實現了 APT功能。在1994年12月至1996年7月期間實現了多次激光鏈路通信。

b)完成了雙向光通信試驗。ETS-VI和地面站之間采用強度調制、直接探測技術，實現了上行(510 nm波長氬離子激光)和下行(830 nm波長13.5 mW鋁鎵砷激光)鏈路。傳輸數據率為1.024 Mbps，通信距離大于40 000 km。衛(wèi)星上收發(fā)天線直徑為7.5 cm，地面接收天線直徑為1.5 m，發(fā)射天線直徑為20 cm。，

圖10 ETS-VI激光通信終端Fig.10 ETS-VI laser communication terminal

c)測量了上行和下行鏈路光束的傳輸特性。試驗測量了ETS-VI星地光通信鏈路中大氣湍流對接收光功率等通信參數的影響，包括不同時間段測量得到的上行鏈路和下行鏈路中接收光功率隨時間的變化情況、不同時間段測量得到的上行鏈路和下行鏈路中接收到的功率譜密度隨時間的變化情況。

d)測試了光學器件在空間中的工作特性。試驗中對激光器、各種探測器等光學相關器件進行監(jiān)測，并發(fā)現采用閉環(huán)方式較開環(huán)方式能更好地抑制跟瞄機械裝置產生的振動影響。

(2)激光通信演示試驗

日本在1990年建造了空間光學通信研發(fā)中心的光學地面設施，計劃將此作為一個主要用于星地激光通信研究的固定地面站，該地面站系統配備了自適應光學裝置［6］。他們還在2000年研制出用于國際空間站(ISS)對地雙向超高速激光通信終端LCDE，安裝在名為“希望號”的可裝卸式實驗艙JEM的實驗平臺上，主要參數如表2所示［7］。

表2 LCDE參數指標Tab.2 Parameter indexes of LCDE

(3)OICETS衛(wèi)星激光通信終端

日本NASDA研制的OICETS衛(wèi)星激光通信終端LUCE在2005年8月23日升空，進入高度為610 km、傾斜為97.8°的近地太陽同步軌道。該衛(wèi)星的主要目的之一是試驗LEO軌道到地面的激光信號傳輸特性，通信波長為800 nm，試驗分別與日本國家情報與通信技術研究所(NICT)和德國宇航中心(DLR)的光學地面站合作完成。2006年3月和5月在NICT進行了衛(wèi)星到地面的試驗，3月28日在地面站接收到下行鏈路的數據。在試驗期間，光學鏈路成功地進行重復連接，地面站和OICETS可以有效地進行捕獲和跟蹤。2006年9月19日，OICETS最終接收到上行鏈路數據的誤碼率為10－7。夜間進行了18次實驗，每一終端的捕獲和跟蹤成功率約為61%。在這次實驗中，從NICT地面站開始發(fā)射信標光和信號光一直到系統進入初始捕獲跟蹤階段，持續(xù)時間為50 s，精瞄準傳感器的功率在初始跟蹤階段處于飽和狀態(tài)。OICETS衛(wèi)星對地激光通信鏈路如圖11所示，激光通信終端LUCE如圖12所示，德國DLR地面站如圖13所示。

圖11 OICETS衛(wèi)星對地激光通信鏈路Fig.11 Laser communication links between satellite and ground

圖12 LUCE激光通信終端Fig.12 LUCE laser communication terminal

圖13 德國DLR衛(wèi)星地面站Fig.13 Germary DLR OGS

2006年6月，在DLR進行了衛(wèi)星到地面的試驗，KIODO實驗是與德國DLR光學地面站共同完成的，6月間進行了8次夜間試驗，在晴朗的天空下成功建立了光學鏈路。在試驗過程中，進行了下行鏈路的BER測量，獲得的地面站記錄中最好BER為10－6。試驗結果表明，在強湍流條件下、大氣信號衰減很大，接收光斑抖動較為嚴重，光斑寬展對通信和跟瞄性能影響很大，需要采用有效措施加以解決，提高激光傳輸性能［8-9］。

3 空間激光通信關鍵技術

3.1 高功率、高速率激光調制發(fā)射技術

高功率、高速率激光調制發(fā)射系統由激光器、調制器、驅動器、溫度控制、功率控制、光放大器、光學天線和信道編碼部分組成，同時采用電子學濾波、光學濾波、自適應濾波技術來提高信噪比。

3.2 高靈敏度、復雜環(huán)境下的光信號接收技術

激光接收方式主要有直接探測和相干探測。直接探測是目前空間激光通信系統最常用的形式，技術比較成熟;但是該探測方式的探測靈敏度取決于器件性能，通信速率升高，探測器靈敏度隨之下降。在相同通信條件下，相干探測可以提高光接收機靈敏度10～20 dB，但要求信號光與本振光具有良好的相干性、頻率穩(wěn)定性及精確的空間光場匹配能力，這種探測方式涉及的系統復雜，實現難度大，是目前國際上的研究熱點。

3.3 高精度APT技術

為實現高精度動態(tài)跟蹤，通常采用粗精復合軸APT技術。粗跟蹤具有較大的視場、較低的伺服帶寬，主要用于實現快速捕獲和穩(wěn)定粗跟蹤，使信標光斑可靠進入精跟蹤視場;精跟蹤具有較小的動態(tài)范圍、較高的伺服帶寬和高跟蹤精度，可進一步有效抑制粗跟蹤殘差。復合軸APT分系統的最終跟蹤精度主要取決于精跟蹤伺服單元性能。

3.4 發(fā)射接收光學系統及基臺技術

光端機發(fā)射接收光學系統和基臺是實現通信的重要裝置，是空間激光通信的核心部分，需要對光學系統多功能、集成化設計，光學基臺小型化、輕量化設計，消雜光設計，高精密裝調設計等技術問題進行研究。

3.5 大氣信道對激光通信影響的抑制技術

大氣對激光傳輸產生光強閃爍、波前畸變等影響，從而影響激光通信距離、誤碼率等工作性能。它對通信子系統、APT子系統、光學子系統等所有子系統設計方案的確定都產生非常大的影響。因此，采用合適的地面站選址、多點布站、增加接收天線面積、多孔徑發(fā)射、自適應光學技術等抑制大氣信道對激光通信的影響，對實現大氣信道激光通信具有非常重要的意義。

4 空間激光通信發(fā)展趨勢

通過近30年的理論研究、仿真模擬、關鍵技術攻關、原理樣機研制、地面演示驗證和多個鏈路的在軌試驗，空間激光通信領域呈現出以下兩個技術發(fā)展趨勢:

(1)通信速率越來越高。20世紀90年代末在空間激光通信發(fā)展初期，主要以快速捕獲和高精度跟蹤(APT)等關鍵技術的研究為主，所以初期成功演示驗證的激光通信系統的速率僅有2，50和622 Mbps;隨著APT技術的突破，人們將研究的重心放在提高通信性能指標上。為了克服高速率與靈敏度、發(fā)射功率、遠通信距離等參數的矛盾，先后研制成功1 550 nm波段的通信分系統(它可同時實現高速率調制和高功率發(fā)射，主要通過提高發(fā)射功率來補償高速率所帶來的靈敏度下降)和空間相干激光通信分系統(利用相干通信的靈敏度比傳統IM/DD探測方式高10～20 dB的特點)，使空間激光通信的傳輸速率達到Gbps量級(見表3)。國外制定的未來5～10年空間激光通信計劃中，其通信速率須達到5～40 Gbps，根據鏈路不同，可滿足高分辨率、海量數據的實時傳輸要求。

表3 激光通信系統傳輸速率的驗證Tab.3 Demonstration of transmission rates for laser communication systems

高速率空間激光通信主要的技術難點有兩個方面:

①大氣信道影響

激光經過復雜大氣信道時，由于大氣折射率的隨機起伏，使接收面上光波的振幅及相位隨機起伏，從而使接收到的光強發(fā)生隨機起伏，使接收信號出現光斑漂移、光束擴展和像點抖動等效應，導致激光通信系統通信性能的降低。所以如何抑制大氣信道影響是一個必須突破的技術難點。

②激光發(fā)射接收系統

由于技術和器件的限制，窄線寬、高功率、高速率的激光調制發(fā)射系統的研制，高速率、低信噪比的微弱信號探測與解調接收系統的研制是另一個技術難點。

圖14 美國TSAT高速信息傳輸空間激光通信組網示意圖Fig.14 Diagram of American TSAT network for highspeed information transmission of laser space communication

(2)從點對點通信向光通信組網邁進。隨著空間激光通信系統性能的不斷提高，空間激光通信逐漸從當前的點對點單一模式，向中繼轉發(fā)和構建空間激光通信網絡方向快速發(fā)展?？紤]天、空、地立體覆蓋和信息傳輸的實時性，迫切需要將同步靜止軌道、中軌道、低軌道(GEO、MEO、LEO)衛(wèi)星，航天飛機，宇宙飛船，浮空平臺，航空平臺，地面平臺連接在一起，形成天基信息網絡。當前已經成功開展的在軌激光通信演示試驗仍然是點對點工作模式，而在美國、日本、歐空局未來的空間激光通信規(guī)劃中，已將構建空天信息網確立為主要研究內容。例如:美國計劃于2016年實施TSAT計劃［10］，向全球部署部隊提供具有高帶寬的衛(wèi)星通信能力，類似于因特網的通信系統。該組網包括星地通信、星星通信、星船通信等，如圖14所示。其中高速率的激光通信是重要的通信手段，通信速率預計可達到10～40 Gbps。該計劃在2009年因經費問題被暫停，但在2011年又開始啟動，目標是在2015年將衛(wèi)星發(fā)射入軌進行一年的演示。

激光通信組網主要的技術難點有三個方面:

①一點對多點通信的光學原理。要實現多顆衛(wèi)星間激光通信組網，必須首先實現一顆衛(wèi)星上的通信光端機能夠同時與多顆衛(wèi)星多個光端機同時互聯互通，而目前所有的空間激光通信都是一點對一點的，提出新的光學原理是第一個必須突破的技術難點，也是最主要的技術難點。

②多點通信的捕獲對準跟蹤(APT)技術。對于不同軌道、不同方向的多個通信光端機同時達到ATP精度，這是激光通信的新問題，也是必須突破的又一個技術難點。

③一點對多點的激光發(fā)射接收技術。對于通信接收組件，不僅要繼續(xù)解決地對比度高、抗干擾背景光等技術問題，而且還要解決多點接收信息的探測處理等方面。

5 我國空間激光通信的發(fā)展簡況

目前我國已經在空間激光通信領域取得了一定成果，這些研究主要是針對某一特定問題而展開的，從不同的角度研究激光通信。表4是國內各研究單位在激光通信方面的研究方向。

我國空間激光通信事業(yè)應該把握住時機，加大力度突破關鍵技術，深入開展激光通信系統及應用研究，為我國早日實現天、空、地一體化激光通信和信息組網奠定技術基礎。

表4 國內在空間激光通信方面的研究單位和研究方向Tab.4 Research directions of space laser communication for domestic research institutes

［1］李英超，胡源，趙義武，等.發(fā)展空間激光通信，提高對地觀測效能［J］.長春理工大學學報(自然科學版)，2011，34(1):1-4.LI Y CH，HU Y，ZHAO Y W，et al..Developing space laser communication improve the earth obervation performance［J］.J.Changchun University Sci.Technol.(Natural Science Edition)，2011，34(1):1-4.(in Chinese)

［2］Trends in laser communications in space.Report on International Workshop“GOLCE2010”［R/OL］.(2010-10-10)［2011-11-11］.http://satcom.jp/70/conferencereportsj.pdf.

［3］TOYOSHIMA M.Trends of research and development of optical space communications technology［R/OL］.(2006-09-15)［2011-11-11］.http://www2.nict.go.jp/g/g560/suzuki/SJR/English/e-44/reporte2.pdf.

［4］HEMMATI H.Laser communication component technologies:database;status and trends［J］.SPIE，1996，2699:310-314.

［5］張誠，胡薇薇，徐安士.星地光通信發(fā)展狀況與趨勢［J］.中興通訊技術，2006(2):52-56.ZHANG CH，HU W W，XU A SH.Status and trends of satellite-to-earth optical communications［J］.ZTE Communications，2006(2):52-56.(in Chinese)

［6］李曉峰.星地激光通信鏈路原理與技術［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2007.LI X F.Theory and Technology on the Satellite-to-ground Laser Communication Links［M］.Beijing:National Defense Industry Press，2007.(in Chinese)

［7］野田艷子，邵毅.在空間站上進行光通信實驗研究［J］.激光與光電子學進展，2002，39(1):15-19.YE TIAN Y Z，SHAO Y.Study on optical communication experiment on the space station［J］.Laser Optoelectronics Progress，2002，39(1):15-19.(in Chinese)

［8］左海成.大氣湍流影響下衛(wèi)星光通信探測光斑分布與定位算法研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學，2010.ZUO H CH.Study on detection spot distribution and localization algorithm on optical sallite communication［D］.Harbin:Harbin Institute of Technology，2010.

［9］幺周石.相干激光空間數據傳輸系統及其多階波前校正研究［D］.成都:電子科技大學，2010.YAO ZH SH.Coherent data transfer system and multi-order wavefront correction［D］.Chengdu:University of Electronic Science and Technology，2010.

［10］TOYOSHIMA M，YAMAKAWA S，YAMAWAKI T，et al..Ground-to-Satellite optical link test between Japanese laser communications terminal and European geostationary satellite ARTEMIS［J］.SPIE，2004，5338:1-15.