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摘要：為(wei) 了滿足日益增長的大數據量、高速數據傳(chuan) 輸速率的需求，NASA、ESA、JAXA等航天機構正在開啟空間激光通信技術的時代。各國紛紛在GEO-LEO，LEO-LEO，LEO-地麵，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演示驗證試驗情況，分析了激光通信技術未來發展趨勢。期望通過該技術的研究，對我國激光通信技術的發展提供參考借鑒。

1 引言

隨著空間技術的不斷發展，空間激光通信在全球通信中作用日漸明顯。空間激光通信，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，實現以激光光波為(wei) 載體(ti) 在空間（包括近地的大氣空間、臨(lin) 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，隨著科學任務高速數據下行的需求越來越大，射頻通信已難以滿足高速數據的通信需求。激光通信係具有傳(chuan) 輸速率更高、抗幹擾性更強、體(ti) 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特點，分析了各國激光通信技術的發展現狀與(yu) 戰略規劃，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的研究，期望對我國在該領域的技術發展起到一定的啟示和借鑒作用。

2 激光通信的技術優(you) 勢

空間激光通信是利用激光波長短、亮度高、高準直特性實現飛行器之間高速數據交換的一種新方法，是有別於(yu) 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(ge) 方麵的優(you) 點：

數據傳(chuan) 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(ge) 數量級，單通道就可提供高達10Gbps量級以上的數據傳(chuan) 輸率，遠大於(yu) 目前微波通信幾百Mbps的數據傳(chuan) 輸率。通過波分複用可以達到數百Gbps以上。

較小的發射功率需求。光束發散角遠小於(yu) 微波通信的波束發散角，所以星間光通信的天線增益遠遠大於(yu) 微波通信。

較小的收發射天線和係統結構。光通信的工作波長比微波通信工作波長小3~5個(ge) 量級，其係統的重量和體(ti) 積相對更小更輕。

高保密性和抗幹擾能力。與(yu) 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、抗幹擾性強、截獲能力強的特點，所以在軍(jun) 事領域起到越來越重要的作用。盡管激光通信應用於(yu) 軍(jun) 事領域會(hui) 受到一定的限製（大氣、全天候、戰場環境等），但將激光通信和射頻通信進行複合模式工作，已經成為(wei) 未來軍(jun) 事通信的趨勢。

下表給出了激光通信與(yu) 微波通信的技術參數比對。

表1微波通信與(yu) 激光通信係統的比較

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）的研製，首次嚐試地基接收器與(yu) 月球軌道器之間的高速激光通信。2013年，月球大氣與(yu) 塵埃環境探測器（LunarAtmosphere and Dust Environment Explorer，LADEE）攜帶了LLCD通信終端發射升空。

2013年11月，試驗取得了較大成功，星上終端捕獲到了地麵發射的信標光並成功進行了跟蹤。之後，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。試驗發現，在薄雲(yun) 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。並且在上行20Mbps的試驗中，首次實現了全程無誤碼傳(chuan) 輸的結果。這是人類曆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據率僅(jin) 為(wei) 1~2 kbps，提高是巨大的。

圖1 LADEE的激光通信試驗

（1）試驗目標

• 驗證地-月距離（約為38萬公裏）下的激光通信技術；
• 利用激光信道實時傳輸月球探測器的高清圖像數據。

（2）技術挑戰

• 遠距離（380000km）
• 高數據率：上行10~20Mbps（目前月-地間微波通道速率上行 1~10Kbps）；下行：40~622Mbps；
• 驗證激光穿透薄雲通信能力（Cloud Turbulence）；
• 驗證地麵站之間切換技術；
• 驗證小地平角通信能力（SEP）；
• 驗證大地平角通信能力；
• 星上大數據量存儲與轉發能力（目前的星上轉發通道39Mbps）。

（3）方案設計

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

星上終端總質量32.8kg，功率136.5W，由光學艙、電子艙和調製解調艙三部分組成。主要技術指標如下：

圖2 LADEE和激光通信終端

表2LLCD的指標參數

LLCD試驗有三個(ge) 地麵接收係統，分別是MIT研製的LLGT（位於(yu) 新墨西哥White Sands），JPL設計的OCTL（位於(yu) 加州），ESA的LLOGS（位於(yu) 西班牙Tenerife島）。

圖3 美國月地激光通信地麵站分布圖

（上圖為(wei) MIT-LLGT，左下為(wei) NASA-OCTL 右下為(wei) SPAIN-OGS）

LLGT為(wei) LLCD的主要地麵終端，這是一個(ge) 移動型地麵接收係統。具有溫控外殼，高約4.5m，總質量7t，與(yu) 目前的無線電通信地麵天線相比，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技術。

圖4 月球激光通信地麵終端（LLGT）

3.1.2火星激光通信演示驗證（MLCD）

NASA於(yu) 2003年開始執行火星激光通信驗證（MARS Laser CommunicationDemonstration，MLCD）項目，目的是提供深空光學鏈路的早期經驗。該項目由NASA／哥達德航天飛行中心（GSFC）管理，其星上子係統由麻省理工學院（MIT）林肯實驗室（LL）研製，而地麵子係統則由JPL和MIT-LL共同研製。星上終端計劃在火星通信軌道器（MTO）上進行飛行試驗，該任務原定於(yu) 2009年10月發射。MLCD項目於(yu) 2004年10月成功完成了係統要求評審，又於(yu) 2005年3-5月完成了星上終端與(yu) 地麵終端的初步設計評審。後來由於(yu) NASA內(nei) 部的計劃變更，中止了MLCD項目。但是在MLCD項目進行期間，深空光學通信要求的定義(yi) 和設計是非常先進的，該項目對於(yu) 來自空間的波束穩定化和在地麵上的有效光子計算與(yu) 日間操作等各項關(guan) 鍵技術都進行了開發。

（1）試驗目標

• 演示火-地下行光通信鏈路，在可行的條件下，數據率為10-100Mbps
• 使用激光下行通信鏈路傳輸火星探測器的科學數據，驗證數據轉發通道
• 演示地球到火星的上行鏈路，數據率至少為10kbps
• 最後驗證並收集在不同鏈路距離及不同天氣情況下的光通信係統性能數據

（2）技術挑戰

• 超遠距離地-火通信（0.2AU ~ 2.7AU ）
• 高數據量需求：最大傳輸數據 1.1 Tbps/天（相當於NASA 火星探測軌道器1天存儲數據量）；上行：100kbps~2Mbps；下行：0.7 - 260 Mbps
• 星上大數據量存儲與轉發能力（目前的星上轉發通道39Mbps）

（3）方案設計

MLCD包括星上終端（MLST）和地麵移動終端（LLGT）兩(liang) 部分。MLCD質量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）由光學機構和電子控製機構組成。光學機構發射/接收口徑：30cm；束散角：15μrad；下行發射功率：0.5W。MSLT光學發射天線采用主動隔振的結構設計，光學天線采用卡賽格倫(lun) 鏡頭，底座進行主動隔振。電子艙采用疊板結構，共由四部分組成：高速數據調製單元、模擬電路處理單元、數字電路處理單元、二次電源單元。MLST構型詳見下圖。

圖6 火星激光通信星上終端

地麵終端包括兩(liang) 個(ge) 地麵站，一個(ge) 為(wei) Hale望遠鏡，位於(yu) 帕洛馬山(美國加利福尼亞(ya) 州西南部)，接收口徑5.08m (200-inch)；第二個(ge) 是LDES望遠鏡，兩(liang) 個(ge) 轉動機構，每個(ge) 結構上安裝兩(liang) 個(ge) 口徑0.8m的望遠鏡，通過光纖耦合形式進行發射和接收光信號。

圖7 MLCD地麵接收望遠鏡結構（Hale）

圖8 MLCD 地麵接收望遠鏡多孔徑接收

3.2 星間激光通信

3.2.1半導體(ti) 星間鏈路試驗（GEO-LEO）

半導體(ti) 激光星間鏈路試驗（Semiconductor laser Inter satellitelink Experiment ，SILEX）是世界上首個(ge) 星間激光通信鏈路。SILEX係統組成包括GEO 星上終端- ARTEMIS（ESA 2001）和LEO 星上終端- SPOT-4 （French 1998）。作為(wei) 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，數據以50Mb/s的速率從(cong) LEO發射到GEO。

圖9 左圖為(wei) SPOT-4上的星載終端，右圖為(wei) SPOT-4衛星平台

SILEX的主要技術挑戰是：建立激光通信終端空間應用；直接調製與(yu) 檢測自由空間激光通信；高數據率：上行 20Mbps/下行：50 Mbps。SILEX的主要技術指標：

表3SILEX通信鏈路指標參數

3.2.2 ARTEMIS-OECETS（GEO-LEO）

2005年末，ARTEMIS又同JAXA光學通信工程試驗衛星（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(dong) 芝空間係統公司研製的通信終端“激光利用通信設備”（Laser UtilizingCommunications Equipment，LUCE）。

（1）試驗目的

• 驗證大氣信道對相幹鏈路的影響
• 分析星間和星地海量信息傳輸體製
• 驗證零差BPSK相幹通信技術的性能
• 驗證係統的指向和跟蹤性能

（2）方案設計

LUCE通信終端包含光學艙和電子艙兩(liang) 部分。光學艙包括一個(ge) 安裝在兩(liang) 軸驅動萬(wan) 向架上的望遠鏡，電子艙提供捕獲、跟蹤和瞄準的功能。光學天線如下圖所示，由一個(ge) 直徑為(wei) 26cm中央饋源的卡賽格倫(lun) 望遠鏡組成。其采用的通信方式為(wei) 相幹光通信，調製方式為(wei) BPSK方式，檢測方式為(wei) 零差相幹檢測。OICETS 通信鏈路指標參數見下表，LUCE終端見下圖。

圖10 OICETS衛星及其星上通信終端LUCE

表4ARTEMIS -OICETS通信鏈路指標參數

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(jin) 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(yu) 日本國家信息通信技術研究所地麵光學站成功進行了雙向光學通信實驗，同年6月，LUCE終端與(yu) 德宇航移動光學地麵站（OGS）之間實現了光通信實驗，在國際上首次實現低軌衛星與(yu) 光學地麵站的激光通信試驗。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-地麵）

繼月-地激光通信試驗（LLCD）之後，NASA進行了激光通信中繼演示衛星（Laser Relay CommunicationDemonstration -LRCD）項目，計劃2018年3月發射。LCRD主要任務是發射一顆攜帶激光通信終端的衛星到同步軌道，建立同步軌道與(yu) 地麵站之間的通信鏈路。此次項目的主要關(guan) 鍵技術大部分延續了月地激光通信技術。

圖12 LCRD激光通信鏈路體(ti) 係架構

（1）試驗目標

• 在GEO實現上行10M~20Mbps，下行2.88Gbps傳輸能力；
• 驗證深空激光通信關鍵技術。

（2）技術挑戰

• 驗證高軌以及近地軌道通信終端對地麵終端捕獲技術；
• 星上大數據量存儲與轉發能力；
• 驗證調製解調以及跟蹤等技術；
• 驗證DPSK技術以及單光子計數等關鍵技術。

圖13 衛星平台和星上通信終端

3.2.4TerraSAR-NFIRE（LEO-LEO）

DLR資助的著名項目LCTSX於(yu) 2002年11月啟動，其目的是通過GEO與(yu) GEO、GEO與(yu) LEO以及GEO與(yu) 地麵站之間的激光鏈路驗證自由空間相幹通信的可靠性。用於(yu) 星間激光通信的兩(liang) 個(ge) 終端LCTs（Laser CommunicationTerminal），分別於(yu) 2007年4月23日搭載美國的LEO衛星NFIRE和2007年6月14日搭載德國的LEO衛星TerraSAR-X發射升空。隨後，在2008年2月21日成功進行了國際上首次星間相幹激光通信實驗。

圖14 安裝在TerraSAR-X艙外的LCT係統

表5 LCTSX 通信計劃（LEO-LEO）- 數據率最高星間激光通信試驗

之後，ESA為(wei) 了推進星間激光通信的實用化，製定了歐洲數據中心衛星（European Data RelaySatellite，EDRS）計劃：通過中繼星與(yu) 地麵站之間的微波通信，將星間高速光通信與(yu) 地麵通信連接起來形成一個(ge) 混合式的通信網絡，目的是利用星間的高速激光通信來提升整個(ge) 通信網絡的信息傳(chuan) 輸能力。該計劃於(yu) 2013年開始實施。

4 激光通信的關(guan) 鍵技術

空間激光通信主要有以下幾點關(guan) 鍵技術：

（1）大功率光源技術

鑒於(yu) 空間光通信傳(chuan) 輸距離長及空間損耗大的特點，要求光發射機輸出功率大，且調製速率高。光源一般采用半導體(ti) 激光器或半導體(ti) 泵浦的YAG固體(ti) 激光器，既可作為(wei) 信號光源，也可作為(wei) 信標光源。工作波長為(wei) 0.8 -1.5μm近紅外波段。信標光源應能提供幾瓦量級的連續光或脈衝(chong) 光，以便在大視場與(yu) 高背景光幹擾下，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。通常信標光的調製頻率為(wei) 幾十赫茲(zi) 至幾千赫茲(zi) ，以克服背景光的幹擾。信號光則選擇輸出功率為(wei) 幾十毫瓦的半導體(ti) 激光器，要求輸出光束質量好、發散角小，調製頻率高（可達幾十GHz）。

（2）高靈敏度抗幹擾的光信號接收技術

空間光通信係統中，光接收機收到的信號十分微弱，加之高背景噪聲場的幹擾，導致接收端信噪比（S/N）<1。為(wei) 了快速、精確地捕獲目標和接收信號，通常采取兩(liang) 方麵的措施：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(幹擾濾光片或原子濾光器等)，以抑製背景雜散光的幹擾，在電信道上則采用微弱信號檢測與(yu) 處理技術。

（3）精密、可靠及高增益的收發天線

為(wei) 完成係統的雙向互逆跟蹤，空間光通信係統均采用收、發合一天線，隔離度近100%的精密光機組件。由於(yu) 半導體(ti) 激光器光束質量一般較差，要求天線增益要高。另外，為(wei) 適應空間係統，天線（包括主副鏡，合束、分束濾光片等光學元件）總體(ti) 結構要緊湊、輕巧、穩定可靠。目前天線口徑一般為(wei) 幾厘米至25 cm。

（4）高靈敏度抗幹擾接收機技術

星間距離可長達4萬(wan) 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(chan) 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

激光信標發射的光束很窄，在相距極遠（4萬(wan) km）的兩(liang) 衛星之間，必須保證信標的發射波束能夠覆蓋接收機的接收天線，接收端能夠捕捉並跟蹤發射端的窄光束。由於(yu) 姿態監測控製係統誤差、參照係計算誤差以及其它係統誤差的存在，在收發雙方互相對準之後總有一個(ge) 不確定角。為(wei) 了緩解對空間瞄準、捕獲和跟蹤係統苛刻的要求，同時加快通信鏈路建立速度，接收機的視場角一定要寬，為(wei) 幾毫弧度，靈敏度為(wei) -110 dbW，跟蹤精度為(wei) 幾十毫弧度。然而，這樣接收的背景輻射功率就會(hui) 迅速上升，掩埋其中的信標信號。解決(jue) 這一問題的關(guan) 鍵在於(yu) 接收機中使用超窄帶寬、高透射率的光學濾波器。

係統完成目標捕獲後，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(chuan) 感器來實現，並配以相應的電子學伺服控製係統。精跟蹤要求視場角為(wei) 幾百微弧度，跟蹤靈敏度為(wei) -90 dbW，跟蹤精度為(wei) 幾微弧度。太陽光為(wei) 地球表麵的雲(yun) 層、積雪和海洋反射所產(chan) 生的強烈背景輻射。對於(yu) GEO和LEO之間的通信鏈路建立，這是一個(ge) 巨大的挑戰（此外還有太陽、月亮、金星等天體(ti) 的背景輻射）。

5 激光通信技術的發展趨勢

5.1 激光通信技術由技術驗證向工程應用階段發展

激光通信技術正在由技術驗證階段、技術定型階段向工程應用階段方向發展。其技術發展方向如下：

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

l 技術驗證階段（2012-2014）：建立技術標準化，包括：與(yu) 平台的數據交換技術；瞄準、捕獲、跟蹤（Pointing，Acquiring and Tracking，PAT）技術；數據編碼技術（OOK/PPM、BPSK、DPSK）；高速光信號調製和解調技術等；新型的輕量化終端結構技術。

l 工程應用階段（2020-2025）：光學終端研製、光學終端飛行驗證。

5.2 通信速率由低碼速率向高碼速率方向發展

通信速率不斷提高，從(cong) 最初的2Mbps已經發展到當前的Gbps量級，將來的規劃已經達到幾十Gbps量級，逐漸發揮空間激光通信的技術優(you) 勢。早期激光通信主要集中在800nm光波波段，該波段各種技術相對成熟、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，一般小於(yu) 1Gbps。目前，采用1550nm波段進行激光通信，可以充分利用1550nm波段激光發射、接收組件高帶寬的特點，並將地麵光纖成熟技術直接應用到通信上，實現通信碼率的提高。

5.3 激光通信與(yu) 激光測距複合使用

由於(yu) 激光測距與(yu) 激光通信在係統組成、信號捕獲、處理方式等具有一定的相似性，因此，可以把它們(men) 複合到一起，實現一個(ge) 功能整體(ti) ，完成測距與(yu) 通信功能。2005年John J．Degnan提出SLR2000衛星激光測距站的改造方案，將激光測距和激光通信結合起來，這是複合係統的最初構想。此後，俄羅斯完成在軌通信/測距複合實驗。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，相幹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(wei) 激光通信應用的重要場所

隨著對科學任務返回速率要求的不斷提高，自由空間光學通信對於(yu) 滿足來自深空的高數據速率鏈路具有很大的潛力，未來深空領域將逐步應用光學通信。光學通信將能滿足未來科學儀(yi) 器所需的傳(chuan) 輸速度。例如，火星勘測軌道器（MRO）最大傳(chuan) 輸速率是6Mbps（目前火星探測任務的最高傳(chuan) 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(chuan) 輸一張高分辨率照片至地球。而光學通信的傳(chuan) 輸速率將提升到100 Mbps，僅(jin) 需26分鍾清空記錄器，傳(chuan) 輸同樣照片的速度僅(jin) 為(wei) 5分鍾。所以，對於(yu) 未來深空科學任務而言，研製新型的高速傳(chuan) 輸終端需求迫切性不言而喻。

6 結束語

激光通信能夠突破射頻通信傳(chuan) 輸速率低的瓶頸，其通信終端具有體(ti) 積小、質量輕、功耗低等特點，能在降低部署空間探測器成本的同時，為(wei) 實時通信和3D高清視頻提供更高的數據傳(chuan) 輸速率和更好的傳(chuan) 輸質量。此外，在未來星間、星地，以及麵向深空的空間通信主幹網中，大容量數據傳(chuan) 輸通道一定會(hui) 是由光通信技術來實現，因此具有廣闊的應用前景。