激光通信測(cè)距技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)研究

李 瑋

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南鄭州450046)

1 引言

20世紀(jì)70年代起，美國開始進(jìn)行激光通信系統(tǒng)的研究，在70年代末設(shè)計(jì)出世界上第一個(gè)激光通信實(shí)驗(yàn)終端。此后，日本、歐洲等各國紛紛開展了這方面的研究，激光通信技術(shù)和激光測(cè)距技術(shù)迅速發(fā)展。但由于空間條件的限制，需要使設(shè)備具有多任務(wù)工作的可能，從而降低對(duì)體積、功耗的要求，并提高系統(tǒng)的性價(jià)比。可以預(yù)測(cè)，隨著激光通信和測(cè)距等復(fù)合需求的不斷提高，激光通信測(cè)距一體化技術(shù)研究將成為未來的一種發(fā)展趨勢(shì)。

2 國外激光通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀［1－3］

美國是世界上開展空間光通信研究最早的國家，自20世紀(jì)70年代開始，美國就在衛(wèi)星光通信和深空光通信領(lǐng)域開展了大量的工作，在衛(wèi)星光通信的各個(gè)領(lǐng)域都開展了研究，為衛(wèi)星激光通信的發(fā)展奠定了雄厚的基礎(chǔ)。最主要研究機(jī)構(gòu)有美國宇航局(NASA)和美國空軍。自80年代起，已經(jīng)實(shí)施了多個(gè)有關(guān)衛(wèi)星激光通信研究計(jì)劃。2002年GEO LITE星地激光通信試驗(yàn)取得巨大成功以后，美國基本上解決了過去所有限制衛(wèi)星激光通信發(fā)展的技術(shù)難題，由演示驗(yàn)證階段進(jìn)入到工程應(yīng)用研究階段。目前正在積極推進(jìn)TSAT轉(zhuǎn)型衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的高速激光通信終端研究工作，該項(xiàng)目計(jì)劃在衛(wèi)星星座間采用全激光鏈路，通信能力為10～40 Gbps。

歐洲空間光通信技術(shù)主要集中在衛(wèi)星光通信方面。其主要研究機(jī)構(gòu)是歐空局(ESA)，已經(jīng)實(shí)施了多個(gè)有關(guān)衛(wèi)星激光通信研究計(jì)劃。通過SILEX計(jì)劃的實(shí)施獲得巨大成功，使得星間和星地激光通信中所有的單元技術(shù)和系統(tǒng)技術(shù)得到了驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了中等速率(50 Mbps)的激光通信。2008年3月，通過德國LCTSX項(xiàng)目的成功實(shí)施，使得高速(1 Gbps以上)衛(wèi)星相干光通信技術(shù)得到了全面驗(yàn)證，標(biāo)志著工程演示驗(yàn)證階段結(jié)束，歐洲衛(wèi)星光通信技術(shù)進(jìn)入到應(yīng)用研究階段。目前ESA正在積極推動(dòng) Alphasat衛(wèi)星寬帶數(shù)據(jù)中繼計(jì)劃，在Alphasat衛(wèi)星上搭載相干激光通信終端，實(shí)現(xiàn)Alphasat衛(wèi)星與低軌衛(wèi)星之間1 Gbps以上的在軌激光通信。

日本于20世紀(jì)80年代中期開始空間光通信的研究工作，主要研究單位有日本國家信息通信技術(shù)研究所(NICT)、日本空間探測(cè)局(JAXA)等，在空間激光通信領(lǐng)域開展了大量的研究工作。通過ETSVI計(jì)劃和OICETS計(jì)劃的成功實(shí)施，驗(yàn)證了星地以及星間激光通信中關(guān)鍵技術(shù)，目前正在進(jìn)行第二代衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)研制，該項(xiàng)目的主要特點(diǎn)是使用1550 nm波長作為通信波段，實(shí)現(xiàn)1 Gbps以上高速通信，演示并驗(yàn)證高速星間激光通信技術(shù)。

在深空光通信方面主要的研究工作是美國開展的，未來還將繼續(xù)進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)研究，隨著技術(shù)成熟度的不斷提高，積極爭取搭載深空飛行器，進(jìn)行工程演示驗(yàn)證，目標(biāo)是在0.1～40 AU通信距離范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)速率在1～1000 Mbps之間深空通信。

3 國外激光測(cè)距技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀［4］

傳統(tǒng)的衛(wèi)星激光測(cè)距(SLR)均采用反射式測(cè)距體制。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，衛(wèi)星激光測(cè)距目前已建立了由50多臺(tái)設(shè)備組成的龐大的全球激光測(cè)距網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)60多顆帶有合作目標(biāo)的各種地球軌道衛(wèi)星的測(cè)距。測(cè)距精度從最初的米級(jí)提高到分米級(jí)、厘米級(jí)，現(xiàn)在正向毫米級(jí)發(fā)展。測(cè)距重復(fù)頻率由低重頻(5～20 Hz)向高重頻(1～10 kHz)發(fā)展。為了進(jìn)一步提高激光測(cè)距的作用距離，近年來又提出新的測(cè)距體制，并開始了演示驗(yàn)證。2005年5月27～31日，美國NASA的哥達(dá)德飛行中心(GSFC)與水星飛行器Messenger成功進(jìn)行了激光應(yīng)答測(cè)距試驗(yàn)。當(dāng)時(shí)Messenger與GSFC的距離約為2400萬公里，距離測(cè)量精度約為20cm。2005年9月，美國的火星探測(cè)器上的火星軌道激光測(cè)高儀(MOLA)記錄到從NASA/GFSC發(fā)射的約500個(gè)激光脈沖，當(dāng)時(shí)的距離是8000萬公里。2007年美國利用GSFC站1.2 m望遠(yuǎn)鏡和NASA的SLR2000系統(tǒng)40 cm望遠(yuǎn)鏡通過對(duì)帶有激光反射器的地球人造衛(wèi)星LAGEOS同時(shí)進(jìn)行測(cè)距試驗(yàn)，模擬激光異步應(yīng)答測(cè)距，以進(jìn)一步研究其工作原理。

4 國內(nèi)激光通信測(cè)距技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

我國激光通信、激光測(cè)距技術(shù)研究與美、歐、日相比起步較晚。國內(nèi)開展激光通信、激光測(cè)距技術(shù)研究的單位主要有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、北京大學(xué)、電子科技大學(xué)、武漢大學(xué)、中國電子科技集團(tuán)、中國航天科技集團(tuán)、上海光機(jī)所、成都光電所等單位。目前已完成了星間光通信系統(tǒng)的模擬分析及模擬實(shí)驗(yàn)研究，大量的關(guān)鍵技術(shù)研究正在進(jìn)行，與國外相比雖有一定的差距，但近些年來在激光通信和激光測(cè)距領(lǐng)域也取得了一些顯著的成就。如:哈工大研制的綜合功能完善的激光星間鏈路模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、上海光機(jī)所研制的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)155 M大氣激光通信機(jī)樣機(jī)、武漢大學(xué)完成了42 M多業(yè)務(wù)大氣激光通信實(shí)驗(yàn)、全空域FSO自動(dòng)跟蹤伺服系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，為開發(fā)機(jī)載、星載激光通信FSO系統(tǒng)創(chuàng)造了條件等。

5 激光通信測(cè)距技術(shù)未來發(fā)展趨勢(shì)［5－6］

隨著近幾年國外在衛(wèi)星星間和星地激光通信方面的快速進(jìn)展，已在相距5000 km的衛(wèi)星之間實(shí)現(xiàn)了5.5 Gbps以上的高速星間激光通信。在衛(wèi)星測(cè)距技術(shù)領(lǐng)域，采用高重頻微脈沖測(cè)距技術(shù)對(duì)衛(wèi)星的測(cè)距精度達(dá)到亞厘米量級(jí)，在測(cè)距體制上也取得了突破，采用異步應(yīng)答測(cè)距體制實(shí)現(xiàn)了到水星飛行器的行星際雙向距離測(cè)量，精度高達(dá)20 cm。在一些衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)、衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)以及光學(xué)地面站的設(shè)計(jì)中已經(jīng)出現(xiàn)了通信測(cè)距一體化跡象。所有這些已取得的進(jìn)展和發(fā)展跡象表明，國外激光通信測(cè)距一體化集成系統(tǒng)研究已經(jīng)開始啟動(dòng)。主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是在飛行器終端的設(shè)計(jì)方面;二是在地面站的設(shè)計(jì)方面。

在飛行器終端設(shè)計(jì)方面體現(xiàn)出激光通信測(cè)距一體化思想的典型例子是美國的X2000項(xiàng)目。

X2000飛行終端是一個(gè)多功能儀器，不僅能完成與遠(yuǎn)至木衛(wèi)二(衛(wèi)星)距離范圍內(nèi)的雙向通信，還具有雙向激光測(cè)距、科學(xué)成像和激光高度計(jì)等功能。在飛行終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，測(cè)距和通信共用信號(hào)光，采用應(yīng)答測(cè)距體制急性激光測(cè)距，實(shí)現(xiàn)激光通信和激光測(cè)距復(fù)用的目的。X2000的飛行終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1 X2000飛行終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

在地面站的設(shè)計(jì)方面，歐洲的OGS光學(xué)地面站和日本NICT光學(xué)地面站除了可以作為星地激光通信終端使用外，還具有多種功能，可用于激光測(cè)距、對(duì)衛(wèi)星定位等。此外，2005年，John J.Degnan提出了一個(gè)SLR2000衛(wèi)星激光測(cè)距站的改造方案(如圖2所示)，就是將激光測(cè)距和激光通信結(jié)合起來。SLR2000C的主要改造思路是利用SLR2000激光測(cè)距機(jī)的測(cè)距激光作為激光通信的信標(biāo)光用于跟蹤瞄準(zhǔn)，在SLR2000衛(wèi)星激光測(cè)距機(jī)上加裝波長1550 nm附近激光器用于和衛(wèi)星建立雙向通信，充分體現(xiàn)了激光測(cè)量通信一體化思想。

圖2 SLR2000C衛(wèi)星激光測(cè)距通信集成方案框圖

6 結(jié)論

目前，國際上已經(jīng)完成了衛(wèi)星光通信的基本概念和主要關(guān)鍵技術(shù)的研究，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了衛(wèi)星間、衛(wèi)星與地面之間的光通信，驗(yàn)證了衛(wèi)星激光通信的可行性。而國內(nèi)的光通信還需進(jìn)一步的研究，實(shí)際的星地激光通信只是進(jìn)行了原理性試驗(yàn)，離實(shí)際的試驗(yàn)還有一定的距離。

隨著激光通信和測(cè)距復(fù)合需求的增加，以及激光通信測(cè)距一體化技術(shù)在航天測(cè)控方面凸顯的優(yōu)勢(shì)越來越多，可以預(yù)見在不久的未來，激光通信測(cè)距一體化技術(shù)將獲得較快的發(fā)展，成為航天測(cè)控領(lǐng)域內(nèi)又一新型測(cè)控技術(shù)。

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