深空探測激光通信技術(shù)發(fā)展研究

羅建將 李洪祚 唐雁峰 郝子強 丁長虹，2

（1 長春理工大學空間光電技術(shù)研究所，長春 130022）（2 空軍航空大學，長春 130022）

1 引言

目前，深空探測中數(shù)據(jù)傳輸采用射頻通信方法，其技術(shù)優(yōu)勢逐漸降低，已不能滿足深空探測中對高速率、安全、大容量傳輸數(shù)據(jù)的任務(wù)需求。而激光通信具有大容量、保密性強、輕便、小型化等優(yōu)點，且滿足深空高速率通信要求，既能減小星載載荷體積、功耗，又可提高深空探測器的使用壽命，因而，近年來作為深空探測的重要信息傳輸手段得到了大力發(fā)展，成為大幅提高深空測控通信性能的新熱門技術(shù)。本文介紹了深空激光通信的發(fā)展，對其關(guān)鍵技術(shù)進行了分析，可為中國發(fā)展深空激光通信技術(shù)提供一定的參考。

2 發(fā)展情況

深空激光通信技術(shù)的發(fā)展不是一步到位的。多國科學家在地面、大氣層和近太空進行了大量激光通信驗證試驗，為深空激光通信的實現(xiàn)提供了技術(shù)支持。歐洲航天局（ESA）早期致力于CO2激光器的無線通信研究，使調(diào)制速率達到了數(shù)吉比特每秒的量級；此后又研制了“半導體激光星間鏈路實驗”（SILEX）衛(wèi)星，該衛(wèi)星與日本“軌道間光通信工程試驗衛(wèi)星”（OICETS）完成了從星間單工到雙工的上百次通信試驗，充分驗證了不同軌道衛(wèi)星之間激光通信的可行性。美國在衛(wèi)星激光通信方面的試驗成果并不多，但是在深空激光通信方面一直處于領(lǐng)先水平。下面主要對美國深空激光通信的發(fā)展加以概述。

美國國家航空航天局（NASA）從20世紀70年代開始研究高碼速率的地球靜止軌道衛(wèi)星之間（GEO-GEO）光連接和低碼速率的深空光中繼技術(shù)。1992年，美國噴氣推進實驗室（JPL）開展了第1個深空光通信試驗——“伽里略光學實驗”（GOPEX）。這個試驗是在飛往木星的“伽利略”（Galileo）探測器上進行的，鏈路的最遠距離為6 000 000km，其中激光脈沖重復頻率為10 Hz，波段為532nm。1996年，JPL又啟動了“先進通信系統(tǒng)優(yōu)勢”（ACBS）研究，得出的結(jié)論是，“隨著探測任務(wù)次數(shù)的增加，光學通信系統(tǒng)是節(jié)約成本的必然選擇”［1］。2000年，JPL 針對NASA 的技術(shù)開發(fā)計劃，研制了功能齊全的深空光收發(fā)機（DSOR），它有2種不同的設(shè)計參數(shù)，以支持深空光通信的需求。第1 種的通信距離超過6AU（898 000 000km），功耗小于50 W。其下行鏈路調(diào)制速率超過100kbit／s，波段為1060nm；上行鏈路調(diào)制速率超過2kbit／s，波段為532nm。第2種的通信距離為2AU，調(diào)制速率為30kbit／s，下行鏈路波段為1064nm，脈沖寬度為25ns，輸出功率為1 W。2005年，JPL 設(shè)計的光通信發(fā)射機，其重復頻率為3～30 MHz，采用脈沖位置調(diào)制（PPM），脈沖寬度為2ns，峰值功率為1．67kW（3MHz時），平均功率為10W，波長小于1064nm。在此基礎(chǔ)上，JPL又在2007年設(shè)計出另外一種光通信發(fā)射機，其重復頻率為10～100MHz，采用PPM，脈沖寬度小于1ns，峰值功率大于1000 W。另外，NASA 還開展了“火星激光通信驗證”（MLCD）系統(tǒng)研究。該系統(tǒng)由NASA、JPL 和麻省理工學院的林肯實驗室聯(lián)合研制，目標是建立火星與地球行星距離的激光通信。它采用PPM，設(shè)計通信速率為1～100 Mbit／s［2-3］。

3 關(guān)鍵技術(shù)

激光通信的關(guān)鍵技術(shù)對深空通信性能的提高尤為重要。與近地空間激光通信相比，深空激光通信技術(shù)的要求不同或更加苛刻。中國的深空激光通信要實現(xiàn)工程應用，應開展以下幾項關(guān)鍵技術(shù)的研究。

3．1 高精度捕獲跟蹤瞄準（ATP）技術(shù)

美國JPL 采用獨特的ATP 技術(shù)，實現(xiàn)了在整個太陽系的精確瞄準。在火星和木星的探測任務(wù)中，ATP技術(shù)是通過地球圖像跟蹤實現(xiàn)的，并常常采用激光信標、地球-月球圖像和地球-恒星圖像進行校正。高相角時，地球圖像無法提供高速率跟蹤所需的足夠亮度，此時可利用慣性傳感器（加速度表）測量，以更高的速率在天體參考更新值之間推測、跟蹤信息。

ATP技術(shù)要求克服航天器姿態(tài)變化和平臺抖動影響，并考慮在瞄準時提前角修正的條件下，實現(xiàn)動態(tài)跟蹤誤差達到微弧度量級的高精度跟蹤瞄準。對于深空激光通信，由于航天器距離太遠，信標光極其微弱，難以作為ATP 的基準信號，為此，須要研究以地球、恒星等自然天體為基準信號的ATP 技術(shù)。采用自然天體作為深空激光通信系統(tǒng)的信標時，要精確知道選用J2000地心赤道坐標系作為慣性坐標系時自然天體在J2000地心天球坐標系中的赤經(jīng)和赤緯，可利用星敏感器儲存的導航星表，基于星對角間隔的識別方法完成信標的識別。星敏感器的測量精度受到其分辨率、光學系統(tǒng)成像質(zhì)量、信號處理電路帶入的噪聲、CCD 背景噪聲、軟件內(nèi)插算法精度等多種因素的影響，因此，要成功建立深空激光通信的鏈路，就要不斷提高星敏感器的測量精度［4］。此外，要精確定位中繼衛(wèi)星，完成捕獲、跟蹤與瞄準，保證通信的暢通有效。圖1 為NASA 的“激光通信中繼驗證”（LCRD）光學模塊結(jié)構(gòu)圖［5］。其中，輔助電路和平衡架應保證光學窗口的有效工作。

圖1 NASA 的LCRD 光學模塊Fig．1 Optical modules of NASA LCRD

3．2 望遠鏡接收技術(shù)

深空激光通信的接收望遠鏡口徑要達到10米量級，并具有良好的雜光抑制能力，以保證其與太陽的夾角很小時（小于3°）能夠可靠接收。為了進一步提高對遠距離微弱信號的接收能力，須發(fā)展可取代大口徑望遠鏡的小口徑望遠鏡陣列技術(shù)。小口徑望遠鏡陣列可有效增加口徑效率，提供超過現(xiàn)有最大單口徑望遠鏡的數(shù)據(jù)接收能力。小口徑望遠鏡陣列技術(shù)還能提高系統(tǒng)的可靠性、可操作性和任務(wù)計劃的靈活性，在需要時能通過望遠鏡組合為特定任務(wù)提供支持，提高資源使用率。此外，小口徑望遠鏡更容易建造，可以實現(xiàn)批量化、自動化，從而能降低成本。與建造更多的10m 或更大口徑的望遠鏡相比，采用大規(guī)模小口徑望遠鏡陣列能獲得更好的性價比。圖2為LCRD 地面收發(fā)站，它就是采用小口徑望遠鏡陣列實現(xiàn)光信號的發(fā)射和接收的。LCRD 地面收發(fā)站通信望遠鏡由發(fā)射鏡和接收鏡復合組成，發(fā)射鏡包括4臺集中于轉(zhuǎn)臺中上部、直徑為15cm、功率為10 W、速率為10～20 Mbit／s、波長為1558nm 的光學發(fā)射鏡，以及4臺分布于四周、直徑為40cm、接收速率可達40～622 Mbit／s的奈米波段探測鏡。

圖2 LCRD 地面收發(fā)站Fig．2 Transmitting and receiving ground station of LCRD

3．3 高功率、高速率激光器和高效率調(diào)制編碼技術(shù)

為了滿足遠距離要求，必須提高激光器的發(fā)射功率。為了提高通信距離，深空激光通信采用PPM。例如：NASA進行的MLCD系統(tǒng)研究，目標是建立火星與地球行星距離的激光通信，就采用PPM，設(shè)計通信速率為1～100 Mbit／s。PPM 技術(shù)要獲得高速率，必須提高激光脈沖的重復頻率；因此，研發(fā)符合深空通信特點、編譯碼復雜度較低的逼近香農(nóng)極限信道編譯碼技術(shù)，在深空通信中尤為重要。Turbo 碼具有逼近香農(nóng)容量極限的性能，已成為空間遙感系統(tǒng)的標準，非常適合于深空通信；但針對深空通信，所需的實用編解碼技術(shù)還存在許多有待攻克的難點［6-8］。表1總結(jié)了不同類型激光器的優(yōu)缺點。星地上行數(shù)據(jù)可用固體激光器光源，下行數(shù)據(jù)則用半導體激光器光源，星間鏈路中多用半導體激光器光源。目前，光纖激光器優(yōu)勢顯著，應用越來越多。

表1 不同類型激光器的優(yōu)缺點Table 1 Advantages and disadvantages of various types of laser

3．4 深空中繼通信技術(shù)

JPL等機構(gòu)提出了建立“星際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)”（IPN）的設(shè)想，以解決深空探測和通信中的各種問題［9］?！稗D(zhuǎn)型衛(wèi)星”（TSAT）通信計劃的目標是衛(wèi)星與高空飛機間的數(shù)據(jù)率達到6Gbit／s，星間激光通信達到20Gbit／s，并將于2015年發(fā)射一顆激光通信演示衛(wèi)星，進行為期一年的演示驗證試驗。圖3（a）為深空鏈路采用PPM 直接或延時傳送數(shù)據(jù)，圖3（b）為應用跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星采用差分移相鍵控（DPSK）和PPM 相結(jié)合的方法傳送數(shù)據(jù)。表2總結(jié)了國外衛(wèi)星中繼發(fā)展情況?？梢钥闯?，未來采用中繼平臺、進行鏈路數(shù)據(jù)傳輸是深空激光通信的發(fā)展方向。

圖3 深空激光通信鏈路與中繼通信鏈路比較Fig．3 Comparison between deep space laser communication link and relay communication link

表2 國外衛(wèi)星中繼發(fā)展計劃Table 2 Satellite relay development plan

3．5 復雜深空環(huán)境下微弱信號探測技術(shù)

根據(jù)中國宇航學會深空探測技術(shù)專業(yè)委員會給出的試驗技術(shù)指標，激光鏈路的距離為5×107～4×108km（地面），激光發(fā)散角為5″，（地面）激光脈沖發(fā)射能量為300mJ，星上接收面積為8000mm2，星上接收器光電子數(shù)為0．7～35個，采用時間濾波及偽隨機碼測試，計時準確度為10ps。在此技術(shù)指標下，光接收機收到的信號十分微弱，而且伴有高背景噪聲場干擾。為了快速、精確地捕獲目標和接收信號，可以提高接收機的靈敏度，或者對接收的信號進行處理。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)。這就需要在高靈敏度探測器、窄帶濾光片、微弱信號提取技術(shù)和相干接收技術(shù)等方面開展研究工作［10］。

4 結(jié)束語

本文介紹了國外深空激光通信技術(shù)的發(fā)展情況，總結(jié)并分析了深空激光通信的幾項關(guān)鍵技術(shù)。針對中國目前的技術(shù)水平，建議突破關(guān)鍵器件（如激光器和高速率調(diào)制器）的研究瓶頸；深入研究新型編碼算法，滿足深空調(diào)制的高速率、低誤碼率的要求；進一步提高現(xiàn)有星歷表的精度，在ATP 技術(shù)中借鑒JPL 的技術(shù)，運用多種方法實現(xiàn)高精度的ATP；應著手進行大規(guī)模小口徑望遠鏡的系統(tǒng)研制和選址工作，在地面站的選址上應加強與國外合作，實現(xiàn)全方位、多角度的跟蹤探測，為進一步開展深空激光通信發(fā)揮作用。

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