革新空間通信的顛覆性技術(shù)

張保慶

空間激光通信是一種利用激光束作為載波在空間進(jìn)行圖像、語音、信號等信息傳遞的通信方式。與傳統(tǒng)微波通信相比，激光通信具有傳輸速率快、通信容量大、抗電磁干擾性能強(qiáng)、保密性高等優(yōu)點(diǎn)，且其通信終端體積小、功耗低、實(shí)用性極高，引發(fā)各國研究熱潮?？臻g激光通信技術(shù)的發(fā)展和突破對增強(qiáng)空間信息傳輸?shù)膶?shí)時性、安全性以及未來深空探測意義重大，有望變革未來空間通信技術(shù)發(fā)展。

優(yōu)勢與挑戰(zhàn)并存

隨著空間技術(shù)、傳感技術(shù)等的發(fā)展，衛(wèi)星及各種航天器所需的信息傳輸量呈指數(shù)級增長，目前空間通信所采用的以微波通信為主的通信手段已難以滿足急劇增長的通信容量需求?？臻g激光通信被認(rèn)為是最有潛力革新空間通信的顛覆性技術(shù)。

較高的數(shù)據(jù)傳輸速率?？臻g激光通信的載波頻率范圍為190～560太赫茲，為微波通信頻率的數(shù)千倍乃至數(shù)萬倍，具有巨大的寬帶提升空間，可實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，使從空間傳回海量視頻和高精度測量數(shù)據(jù)成為可能，對于自然災(zāi)害監(jiān)測、軍事通信等具有重要的戰(zhàn)略意義。

系統(tǒng)終端體積小、質(zhì)量輕、功耗低。相比于微波，激光的波長要短許多。波長越短，能量越高，所受的衍射作用越小，激光所需的發(fā)射和接收天線尺寸可以成倍縮小，使得激光通信系統(tǒng)終端的體積、質(zhì)量以及功率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于微波通信，高度滿足空間應(yīng)用對有效載荷小型化、輕量化、低功耗的要求。

抗電磁干擾能力強(qiáng)、安全保密性高。空間激光通信采用激光作為載波，激光光束極窄，發(fā)散角小于1毫弧度，亮度和能量密度極高，信息傳遞不易被其他設(shè)備捕獲，且鄰近衛(wèi)星間的通信干擾也可忽略不計，具有較高的抗電磁干擾能力和安全保密性能。

盡管存在諸多優(yōu)勢，目前空間激光通信技術(shù)整體而言仍處于研究階段，尚面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，如激光通信較為受制于激光通信終端和探測器件、大氣湍流、大氣衰減等因素的影響和干擾，空間激光通信所需的地面基礎(chǔ)設(shè)施遠(yuǎn)未完備，空間激光通信高頻帶高寬帶的技術(shù)優(yōu)勢尚未完全挖掘等。

歐美掀起研究熱潮

美國、歐洲、日本等均在空間激光通信技術(shù)領(lǐng)域投入巨資進(jìn)行相關(guān)技術(shù)研究和在軌試驗，對空間激光通信系統(tǒng)所涉及的各項關(guān)鍵技術(shù)展開了全面深入地研究，不斷推動空間激光通信技術(shù)邁向工程實(shí)用化。

美國國家航空航天局（NASA）加速發(fā)展空間激光通信技術(shù)。美國早期開展的“激光通信演示系統(tǒng)”“轉(zhuǎn)型衛(wèi)星通信系統(tǒng)”等項目研究，為后期技術(shù)發(fā)展奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。近年來，NASA尤為重視空間激光通信技術(shù)發(fā)展，并將其作為重要優(yōu)先事項，加速推進(jìn)空間激光通信技術(shù)的發(fā)展和成熟，使近地任務(wù)和深空任務(wù)的空間通信更為高效，以解決未來空間飛行任務(wù)面臨的海量數(shù)據(jù)傳輸問題。

“月球激光通信演示驗證”項目 美國NASA于2013年10月成功開展了“月球激光通信演示驗證”項目。從月球軌道與多個地面站分別進(jìn)行了雙向激光通信試驗，創(chuàng)造了622兆比特/秒的下行數(shù)據(jù)傳輸速率新記錄，上行數(shù)據(jù)傳輸速率也達(dá)到20兆比特/秒。首次驗證了空間激光通信系統(tǒng)的可行性以及系統(tǒng)在空間環(huán)境中的可生存性。

“激光通信中繼演示驗證”項目 美國NASA正在開展的“激光通信中繼演示驗證”項目主要用于驗證激光通信技術(shù)的有效性和可靠性等。該系統(tǒng)包括2個地球同步軌道星載激光通信終端以及2個地面激光通信終端。NASA計劃于2019年發(fā)射星載激光通信終端至地球同步軌道，開展為期2年的激光通信中繼演示驗證任務(wù)。任務(wù)中，位于美國加州的地面站將向距地約3.6萬千米的地球同步軌道星載激光通信終端發(fā)射激光信號，隨后地球同步軌道星載激光通信終端將信號中繼到另一個地面站。目前，激光通信中繼演示驗證系統(tǒng)已成功通過關(guān)鍵決策點(diǎn)評審，并已于2017年12月開始進(jìn)行開發(fā)集成與測試階段，正為2019年新一階段的演示驗證任務(wù)積極準(zhǔn)備。

“深空光學(xué)通信”項目 “深空光學(xué)通信”項目通信距離比“激光通信中繼演示驗證”項目更遠(yuǎn)，致力于研究激光通信對于深空任務(wù)數(shù)據(jù)速率、占用空間和功耗的改進(jìn)作用。2017年NASA稱，按照計劃，深空光學(xué)通信項目將于2018年—2019年進(jìn)行地面測試，2023年搭載普賽克飛行器向一顆金屬小行星進(jìn)發(fā)，進(jìn)而對深空激光通信技術(shù)進(jìn)行驗證。

“一體化射頻與光學(xué)通信”項目 NASA格倫研究中心團(tuán)隊正在開展“一體化射頻與光學(xué)通信”概念研究，計劃向火星軌道發(fā)送一顆激光通信中繼衛(wèi)星，用于接收遠(yuǎn)距離航天器的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)中繼至地球。“一體化射頻與光學(xué)通信”系統(tǒng)將使用射頻和激光集成通信系統(tǒng)，既可為使用激光通信系統(tǒng)的新型航天器提供服務(wù)，也可為使用射頻通信系統(tǒng)的傳統(tǒng)航天器提供服務(wù)，將有效促進(jìn)NASA所有空間資產(chǎn)間的互操作性。

歐空局重點(diǎn)推進(jìn)激光通信系統(tǒng)商業(yè)化運(yùn)營。歐空局早期實(shí)施的“半導(dǎo)體激光星間鏈路試驗”等項目首次驗證了低地球軌道至地球同步軌道的星間通信，項目取得的極大成功給了歐空局極大的信心。2008年底，歐空局決定在其“歐洲數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)”（EDRS）中應(yīng)用激光通信終端，以促進(jìn)空間激光通信系統(tǒng)的研發(fā)和實(shí)施達(dá)到成熟階段，并以商業(yè)模式運(yùn)營。近年來，“歐洲數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)”取得了一系列突破性進(jìn)展，成為世界上首個商業(yè)化運(yùn)營的高速率空間激光通信系統(tǒng)。

“歐洲數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)”是由歐空局和空客防務(wù)與航天公司在“公私合作伙伴關(guān)系”機(jī)制下共同研發(fā)的世界首個獨(dú)立運(yùn)行的商業(yè)化空間激光通信系統(tǒng)，其中歐空局負(fù)責(zé)系統(tǒng)研發(fā)，空客防務(wù)與航天公司作為項目主承包商負(fù)責(zé)系統(tǒng)的建造、發(fā)射和運(yùn)營。“歐洲數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)”通過采用激光通信技術(shù)在地球靜止軌道為近地軌道衛(wèi)星、機(jī)載平臺向歐洲地面站實(shí)時中繼傳輸大量數(shù)據(jù)?！皻W洲數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)”一期系統(tǒng)的空間段包括兩個地球靜止軌道節(jié)點(diǎn)，分別是EDRS-A數(shù)據(jù)中繼有效載荷和配置了數(shù)據(jù)中繼有效載荷的EDRS-C專用衛(wèi)星。

“歐洲數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)”的首個激光通信中繼載荷EDRS-A已于2016年1月30日成功發(fā)射，邁出了構(gòu)建全球首個衛(wèi)星激光通信業(yè)務(wù)化運(yùn)行系統(tǒng)的重要一步。EDRS-A可提供激光和Ka波段兩種雙向星間鏈路，星間傳輸速率可達(dá)1.8吉比特/秒。在完成一系列在軌測試后，EDRS-A于2016年6月成功傳輸了歐洲哨兵1A雷達(dá)衛(wèi)星的圖像，并于2016年7月進(jìn)入業(yè)務(wù)運(yùn)行階段。EDRS-A載荷實(shí)現(xiàn)在軌服務(wù)，表明歐洲已率先實(shí)現(xiàn)星間高速激光通信技術(shù)的業(yè)務(wù)化應(yīng)用，是近年來歐洲航天技術(shù)快速發(fā)展的一個重要里程碑。

歐空局計劃于2020年將“歐洲數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)”擴(kuò)展成為全球覆蓋系統(tǒng)，形成以激光數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星與載荷為骨干的天基信息網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星、空中平臺觀測數(shù)據(jù)的近實(shí)時傳輸。EDRS不僅將滿足歐洲航天活動對空間數(shù)據(jù)傳輸速率、傳輸量和實(shí)時性日益增長的需求，更將使歐洲擺脫對非歐地面站的依賴，保持空間通信的戰(zhàn)略獨(dú)立性。歐空局認(rèn)為，美國防部及其無人機(jī)機(jī)隊將是EDRS未來的主要市場。

日本致力于激光通信終端小型化研究

日本主要采取國際合作的方式進(jìn)行空間激光通信技術(shù)研究，早期開展的“地面軌道間激光通信演示驗證”等項目取得了巨大的成功，實(shí)現(xiàn)了世界首次低軌衛(wèi)星與地面站及移動光學(xué)地面站之間的激光通信試驗。近年來，為保持空間激光通信技術(shù)方面的優(yōu)勢，日本開始向激光通信終端小型化、輕量化、低功耗方向發(fā)展。

“空間光通信研究先進(jìn)技術(shù)衛(wèi)星”計劃 日本“空間光通信研究先進(jìn)技術(shù)衛(wèi)星”計劃旨在驗證適用于50千克級小衛(wèi)星的“小型光學(xué)通信終端”。2014年5月，“小型光學(xué)通信終端”搭載低軌小衛(wèi)星發(fā)射入軌，并已于2014年8月—11月間成功開展了低軌衛(wèi)星對地激光通信試驗?！靶⌒凸鈱W(xué)通信終端”總質(zhì)量僅為5.8千克，最遠(yuǎn)通信距離達(dá)1000千米，下行通信速率10兆比特/秒，可構(gòu)建絕對安全的全球光通信網(wǎng)絡(luò)，使得飛機(jī)、衛(wèi)星收集的高分辨率圖像數(shù)據(jù)可通過空間激光通信鏈路下傳至地面站。

“激光數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”計劃 日本2015年1月9日公布的新版《宇宙基本計劃》將“激光數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”計劃正式列入其中，并于2015財年下?lián)芰?2.08億日元作為啟動經(jīng)費(fèi)。日本計劃2019年發(fā)射“激光數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”，將當(dāng)前數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)的微波鏈路替換為激光鏈路，通過激光實(shí)現(xiàn)先進(jìn)光學(xué)衛(wèi)星等新一代高分辨率對地觀測衛(wèi)星之間的通信，預(yù)設(shè)通信速率達(dá)2.5吉比特/秒，屆時將使日本獲得更高速的實(shí)時觀測能力。

蘊(yùn)含巨大應(yīng)用價值

空間激光通信的高速率和高安全性將不斷滿足航天活動對空間數(shù)據(jù)傳輸速率、傳輸量和實(shí)時性日益增長的需求，必將使其成為未來空間通信的主要形式。深入挖掘和利用空間激光通信蘊(yùn)含的巨大應(yīng)用價值，對增強(qiáng)當(dāng)前空間信息傳輸?shù)膶?shí)時性、安全性以及未來深空探測意義重大。

滿足信息化戰(zhàn)爭對通信帶寬不斷增長的需求。現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭對通信帶寬的需求越來越大，如戰(zhàn)場遙感測繪信息、實(shí)時戰(zhàn)斗高清圖像、強(qiáng)干擾復(fù)雜電磁環(huán)境下的指令交互等無一例外需要穩(wěn)定的信息傳輸技術(shù)做保障，使得對通信系統(tǒng)帶寬資源需求急劇增長。傳統(tǒng)微波衛(wèi)星通信系統(tǒng)由于成本高昂，且衛(wèi)星軌道資源和頻譜資源日益緊缺，難以滿足作戰(zhàn)人員獲取實(shí)時戰(zhàn)場態(tài)勢數(shù)據(jù)的迫切需求?？臻g激光通信系統(tǒng)具有巨大的帶寬提升空間，可實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，能夠充分保證戰(zhàn)場海量信息的實(shí)時性傳輸。同時，激光收發(fā)裝置和信號處理裝置體積小、重量輕、功耗低，星上配備多個激光收發(fā)裝置具備可行性，為后續(xù)發(fā)展多天線激光通信技術(shù)奠定基礎(chǔ)，從而可進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)傳輸速率，保證戰(zhàn)場信息的及時傳輸。

保證戰(zhàn)場數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院头€(wěn)定性。戰(zhàn)場數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院头€(wěn)定性對于確保作戰(zhàn)單元信息優(yōu)勢的全程獲取和作戰(zhàn)效能的充分發(fā)揮至關(guān)重要。傳統(tǒng)的微波通信技術(shù)由于頻譜規(guī)劃的公開性以及信號旁瓣泄露問題，使得敵方極易通過信號偵收設(shè)備進(jìn)行信號的分析和破解，造成安全隱患。同時，成熟的高功率寬帶電磁脈沖技術(shù)也會使傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信技術(shù)在戰(zhàn)場上被干擾，失去戰(zhàn)場制信息權(quán)?？臻g激光通信具有高安全性特點(diǎn)，很難被竊取和干擾，完全避免了傳統(tǒng)微波通信技術(shù)存在的不足，其極強(qiáng)的方向性波束使得信號的泄露幾乎可以忽略不計，且激光通信的高頻率和高帶寬也將使傳統(tǒng)的干擾壓制手段失效。

實(shí)現(xiàn)近地任務(wù)和深空任務(wù)高效空間通信。激光通信技術(shù)有望使數(shù)據(jù)傳輸速率比射頻通信提高至少10～100倍，可在從低地球軌道到星際的所有空間區(qū)域中大幅提高數(shù)據(jù)傳輸速率，使近地任務(wù)和深空任務(wù)的空間通信更加高效。更高的數(shù)據(jù)傳輸速率意味著未來能從太陽系內(nèi)任何位置傳輸直播視頻，還可增加載人深空探索任務(wù)的通信帶寬，從而幫助研究人員更快地采集科學(xué)數(shù)據(jù)，研究塵暴或航天器著陸等突發(fā)事件，甚至從其他行星表面發(fā)送視頻?？梢韵胂?，空間激光通信網(wǎng)絡(luò)一旦建立，人類或?qū)㈤_啟至月球的快速可靠的數(shù)據(jù)連接網(wǎng)絡(luò)，甚至還可以連接至火星和更遙遠(yuǎn)的星球，為人類征服遙遠(yuǎn)的星辰提供重要的通信支持。

責(zé)任編輯：葛 妍