星地光通信發(fā)展?fàn)顩r與趨勢

摘要：星地之間日益增長的高數(shù)據(jù)率和大通信容量的通信需求，必須用光通信來實現(xiàn)，否則衛(wèi)星光網(wǎng)與光纖光網(wǎng)之間將形成傳輸“瓶頸”，限制通信的發(fā)展。美國的激光通信演示系統(tǒng)、光通信演示和高速率鏈路設(shè)備、空間技術(shù)研究衛(wèi)星2實驗、同步軌道輕量技術(shù)實驗、火星激光通信演示系統(tǒng)，日本的激光通信實驗裝置等均對星地光通信進行了有成效的探索。中國也在跟瞄(APT)、光相控陣和新型星地通信等研究方面不斷探索。如何提高跟瞄系統(tǒng)的性能，如何克服空間大氣影響，如何將數(shù)據(jù)傳輸率提高到每秒吉比特并實現(xiàn)低誤碼率，如何使衛(wèi)星與地面光纖網(wǎng)相連將是未來星地光通信的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：星地光通信；原子濾波器；光學(xué)相控陣；一發(fā)多收

Abstract: The increasing demand for high-speed， large capacity data transmission between the earth and satellites may be solved by optical communications today. Otherwise， the satellite-to-earth communication will be constrained by the transmission bottleneck. Relevant researches have been done and resultfull achievements have been obtained， such as the Optical Communication Demonstration System， Optical Demonstration and High-speed Link Devices， STRV-2 Experiment， Geosynchronous Lightweight Technology Experiment (GeoLITE)， and Mars Laser Communication Demonstration System (MLCD) developed by the US， as well as the laser communication experimental devices developed by Japan. Researches have also been conducted in China in the areas of Acquisition， Pointing and Tacking (APT)， optical phased array and new types of satellite-to-earth communications. There are many problems that are expected to be solved in the future， such as how to improve APT performance， how to overcome the effect of space atmosphere， how to raise the data rate to Gigabit per second with low bit error rate， and how to link the satellite and earth optical networks.

Key words: satellite-to-earth optical communication; atomic optic filter; optical phased array

基金項目：國家自然科學(xué)基金(60477002)

信息社會的發(fā)展需要一個傳輸數(shù)據(jù)率高、存儲容量大、覆蓋面積廣的通信體系作為支撐。面對日益增長的對衛(wèi)星通信容量和數(shù)據(jù)傳輸速率的需求，以微波為載體的通信技術(shù)已經(jīng)不能滿足，亟待開發(fā)新的通信載體和技術(shù)。

隨著衛(wèi)星激光通信關(guān)鍵技術(shù)的突破和激光所具有的優(yōu)勢逐步體現(xiàn)，業(yè)界的專家達成一致意見：面對日益增長的高數(shù)據(jù)率和大通信容量的需求，必須用光通信來實現(xiàn)衛(wèi)星通信^[1]。未來世界的通信體系將是一個天上衛(wèi)星光網(wǎng)和地面光纖光網(wǎng)連接一起的空地激光通信體系，如圖1所示。

在衛(wèi)星光通信的各種鏈路中，又以星地光通信鏈路的實現(xiàn)最為困難。因為星地光通信的主要傳輸介質(zhì)是大氣，而大氣的復(fù)雜性質(zhì)將對在其中傳輸?shù)募す獾耐ㄐ判盘柈a(chǎn)生很大影響。但如果不實現(xiàn)星地之間的光通信鏈路，衛(wèi)星光網(wǎng)與光纖光網(wǎng)之間將形成傳輸“瓶頸”，限制通信的發(fā)展。所以有必要對星地光通信進行詳細的研究。

1 國際星地光通信發(fā)展現(xiàn)狀

國際上，20世紀70年代初就開始投入了大量的人力和物力進行空間光通信的研究^[2]。近十幾年來更是取得了很大的進展，已經(jīng)從開始的理論方案論證和實驗樣機研制，發(fā)展到工程化測試階段^[3]。目前世界上衛(wèi)星光通信發(fā)展較好的國家主要有美國、歐洲和日本。

1.1 美國星地光通信的發(fā)展

美國衛(wèi)星光通信開展得較早，20世紀70年代即開始相關(guān)研究。但是由于美國初期的星地光通信研究往往由政府或軍方主導(dǎo)，保密性較高。隨著歐洲和日本衛(wèi)星光通信的成功，越來越多的商業(yè)公司開始進入衛(wèi)星光通信市場，美國衛(wèi)星光通信的研究也變得開放和興盛起來。

美國進行衛(wèi)星光通信的領(lǐng)導(dǎo)機構(gòu)是美國宇航局(NASA)和美國空軍軍方，主要的科研單位是加州理工大學(xué)的噴氣動力實驗室和麻省理工學(xué)院的林肯實驗室。許多大公司，如Thermo Trex公司、Ball Aerospace公司等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)Thermo Trex公司的研究成果

Thermo Trex公司為美國軍方進行光通信研究。他們建立空地激光鏈路的依據(jù)為：鑒于對流層大氣的情況較為復(fù)雜，而平流層大氣的情況較簡單，可以利用在平流層中的飛機與衛(wèi)星建立激光鏈路，將衛(wèi)星下傳的數(shù)據(jù)進行處理壓縮后，再利用微波或激光發(fā)送到地面站，從而減小對流層大氣對激光鏈路的影響。Thermo Trex公司研究成果中最特殊的一點就是首次將原子濾波器(FADOF)引入到跟瞄(APT)系統(tǒng)中，F(xiàn)ADOF的帶寬可以窄到0.01 nm，對本底光噪聲有很強的抑制作用。實驗表明，可以在大視場角(FOV)下取得較高的信噪比，從而實現(xiàn)對目標(biāo)的快速捕捉和鎖定。

(2)激光通信演示系統(tǒng)

激光通信演示系統(tǒng)(OCD)由NASA支持的噴氣動力實驗室研制，其研制目的是實現(xiàn)一個可用于星地通信工程模型的激光通信實驗設(shè)備，是一個基于實驗室的演示系統(tǒng)。OCD的設(shè)計集中了當(dāng)時很多先進的技術(shù)，比如光束獲取、高帶寬的跟蹤、精確光束瞄準(zhǔn)和前饋補償?shù)燃夹g(shù)。設(shè)備結(jié)構(gòu)上包括：一個直徑為10 cm的光學(xué)天線、一個用于空間獲取的電荷耦合檢測器(CCD)陣列、高帶寬跟蹤裝置以及光纖耦合發(fā)生裝置^[4]。設(shè)計通信數(shù)據(jù)率為250 Mb/s～1 Gb/s(近地實驗時)，采用844 nm的通信波長和開關(guān)鍵控(OOK)方式進行快速數(shù)據(jù)調(diào)制。雖然OCD系統(tǒng)并沒有進入實用化，但是其設(shè)計思路為后來很多噴氣動力實驗室的研究提供了借鑒。

(3)國際軌道空間站光通信研究

噴氣動力實驗室利用OCD系統(tǒng)成熟的研究技術(shù)，為國際軌道空間站(ISS)工程研究和技術(shù)發(fā)展計劃(ISSERT)研制了光通信演示和高速率鏈路設(shè)備(OCDHRLF)^[5]。該系統(tǒng)的目的是在近地軌道(LEO)距離上實現(xiàn)ISS與地面光學(xué)望遠鏡的激光通信鏈路。其設(shè)計通信數(shù)據(jù)率為2.5 Gb/s。空間站和地面的光學(xué)終端直徑分別為10 cm和100 cm。其中ISS上使用的通信波長是可以與地面光纖通信技術(shù)接軌的1 550 nm波長(不同于OCD)，信標(biāo)光使用980 nm波長。

(4)STRV-2實驗

20世紀80年代末90年代初，美國彈道導(dǎo)彈防御組織(BMDO)開始支持空間技術(shù)研究衛(wèi)星2(STRV-2)研究。該研究目的在于演示LEO衛(wèi)星TSX-5與地面站間的上行和下行激光通信，驗證衛(wèi)星與地面間的每秒吉比特速率通信是否可行。STRV-2的設(shè)計采用直接調(diào)制半導(dǎo)體激光發(fā)射和雪崩光電二極管接收。跟瞄裝置采用二極管激光(852 nm波長)作為信標(biāo)光，CCD成像器接收，銫原子線濾波器做本底光抑制。整個通信終端包括電子設(shè)備重14.5 kg，設(shè)計通信鏈路長度最大為2 000 km。

STRV-2實驗系統(tǒng)采用了極化復(fù)用通信技術(shù)來提高通信速率，其設(shè)計通信速率為衛(wèi)星到地面500 Mb/s×2和地面到衛(wèi)星155 Mb/s×2。在天線設(shè)計上，發(fā)射端和接收端相互分離，TSX-5衛(wèi)星上終端天線直徑為1.6 cm(發(fā)射)和13.7 cm(接收)，地面站上天線直徑為30.5 cm(發(fā)射)和40.6 cm(接收)。同時為了減輕大氣閃爍的作用，STRV-2系統(tǒng)采用了多個發(fā)射孔徑，其中星上終端4路，地面終端12路^[6]。

TSX-5衛(wèi)星于2000年6月7日發(fā)射升空，但是由于其ATP系統(tǒng)采用的是開環(huán)獲取，即根據(jù)已有的星歷表等軌道參數(shù)來進行跟瞄，而系統(tǒng)設(shè)計所依據(jù)的星歷表與實際情況有誤，所以衛(wèi)星上光通信終端無法捕獲到地面光通信終端發(fā)射的信號，使得STRV-2星地激光鏈路實驗宣告失敗^[7]。

(5)同步軌道輕量技術(shù)實驗

2001年5月18日，美國軍事偵察局(NRO)的同步軌道輕量技術(shù)實驗(GEOLITE)衛(wèi)星成功發(fā)射進入軌道。GEOLITE上攜帶了一個實驗用的激光通信端機和一個工程用的超高頻(UHF)通信設(shè)備，以進行激光通信試驗和寬帶通信試驗。麻省理工學(xué)院的林肯實驗室負責(zé)激光通信端機的設(shè)計^[8]。NRO對外宣布本次衛(wèi)星實驗非常成功，實現(xiàn)了激光通信鏈路，但未見進一步的詳細報道^[9]。

(6)火星激光通信演示系統(tǒng)

NASA還進行了火星激光通信演示系統(tǒng)(MLCD)研究。該系統(tǒng)由NASA、加州理工大學(xué)的噴氣動力實驗室和麻省理工學(xué)院的林肯實驗室聯(lián)合研制，目標(biāo)是建立火星與地球行星距離的激光通信。設(shè)計的通信數(shù)據(jù)率為1～100 Mb/s，這是以前微波射頻深空通信所無法比擬的。星上終端采用直徑30.5 cm的天線，CCD成像接收，發(fā)射采用由半導(dǎo)體激光振蕩器和摻鉺光纖放大器(EDFA)組合而成的主振蕩器功率放大器(MOPA)結(jié)構(gòu)提高發(fā)射功率，采用脈沖相位調(diào)制(PPM)。地面終端采用1 m光學(xué)天線，4路多光束發(fā)射(另一種方案是6路直徑30 cm光學(xué)天線多光束發(fā)射)。整個鏈路的通信波長采用1 060 nm可結(jié)合光纖技術(shù)的激光波長^[10]。

1.2 日本星地光通信發(fā)展現(xiàn)狀

日本開始進行星地光通信研究的時間較美國要晚一些，但是他們的研究發(fā)展迅速，并于1995年與美國噴氣動力實驗室一起實現(xiàn)了世界上首次星地光通信鏈路，從而證明了星地光通信是可行的。日本衛(wèi)星光通信的主要研究機構(gòu)是郵電省的通信研究實驗室(CRL)和日本宇宙開發(fā)事業(yè)團(NASDA)。日本電氣公司(NEC)和東芝公司(Toshiba)也擔(dān)負了一部分通信設(shè)備的研究。

CRL是日本進行星地光通信研究的領(lǐng)導(dǎo)機構(gòu)，他們制訂了詳細的計劃，集中了很多人力、物力進行研究，研究分3步實行：

●第一步采用0.8 μm波長的中等速率的通信系統(tǒng)(300 Mb/s×4)和1.5 μm的高速率通信系統(tǒng)(1.2 Gb/s×2)，已于2002年完成。

●第二步將中等速率的通信系統(tǒng)進入實用化。同時研究0.8 μm波長的中等速率的通信系統(tǒng)(1.2 Gb/s×4)和1.5 μm波攻的高速率通信系統(tǒng)(10 Gb/s×2)，計劃2006年內(nèi)完成。

●第三步將高速率通信系統(tǒng)實用化。

目前日本星地光通信方面有激光通信實驗(LCE)和激光通信實驗裝置(LCDE)兩個比較有代表性的研究。

(1)激光通信實驗

日本的工程測試衛(wèi)星6號(ETS-VI)上所搭載的LCE裝置實現(xiàn)了世界上首次的星地激光鏈路。工程測試衛(wèi)星6號于1994年8月發(fā)射升空，由于推進火箭故障，沒有進入預(yù)定的地球同步軌道(GEO)，縮短了生命周期。但通過CRL和美國噴氣動力實驗室的合作，采用了新的硬件和軟件方法基本完成了全部測試。成果如下_[11，12]：

●成功地實現(xiàn)了捕獲和跟蹤。在1994年12月和1996年7月期間實現(xiàn)了多次激光鏈路通信。

●全雙工通信。ETS-VI和地面站之間采用強度調(diào)制、直接探測技術(shù)實現(xiàn)了上行(510 nm波長氬離子激光)和下行(830 nm波長，13.5 mW砷化鋁鎵激光)鏈路。傳輸數(shù)據(jù)率為1.024 Mb/s，通信距離大于40 000 km。衛(wèi)星上收發(fā)天線直徑7.5 cm，地面接收天線直徑1.5 m，發(fā)射天線直徑20 cm。

●測量了上行和下行鏈路光束的傳播特性。

●對光學(xué)器件在太空環(huán)境中的性能進行了測試。

實驗中還發(fā)現(xiàn)，由于衛(wèi)星上跟瞄采用機械裝置，其平臺的振動對跟瞄質(zhì)量有較大影響，采用閉環(huán)方式較開環(huán)方式能更好地抑制振動的影響。

(2)激光通信演示實驗

日本在第一個永久性載人國際空間站上設(shè)置了名為“希望號”的可裝卸式實驗艙——JEM，在該艙外的實驗平臺上搭載了LCDE，用于與地面和其他衛(wèi)星進行超高速光通信實驗。主要參數(shù)如表1所示^[13]：

1.3 美國和日本星地光通信研究傳輸數(shù)據(jù)率比較

根據(jù)目前的研究現(xiàn)狀和未來的發(fā)展趨勢，可以統(tǒng)計和推測出如圖2所示的美國和日本星地光通信傳輸數(shù)據(jù)率的比較圖。

2 中國星地光通信發(fā)展現(xiàn)狀

中國衛(wèi)星光通信的研究相對國際發(fā)達國家起步晚，初期主要是器件等條件并不具備。20世紀90年代以來，隨著中國激光通信器件的進步和對外開放度的增加，中國的許多科研單位都開始了對于衛(wèi)星激光通信的研究，在一些領(lǐng)域里取得了突破性的進展。在各大科研單位中，衛(wèi)星光通信特別是星地光通信開展較好的有北京大學(xué)、成都電子科技大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等。

2.1 北京大學(xué)電子學(xué)系研究情況

從20世紀80年代末到90年代初，北京大學(xué)電子學(xué)系就開始了對于星地光通信的研究。目前，北京大學(xué)區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點實驗室正在開拓兩個方面的研究：光相控陣和新型星地通信方式。

20世紀90年代初，北京大學(xué)在中國首次研制出了原子濾波器(FADOF和VADOF)，并將其使用在衛(wèi)星光通信的跟瞄技術(shù)上，從而取得了重大突破。北京大學(xué)利用原子濾波器的超窄帶性在大視場角情況下獲得了較大的信噪比，同時原子濾波器的多峰和可調(diào)諧性也能夠很好地克服衛(wèi)星移動所產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)^[14]。北京大學(xué)還在光通信的接收方面有所進展，采用了多量子阱器件實現(xiàn)了自差拍接收^[15]，同時采用Turbo碼+信道交織的編碼方式提高了接收信噪比^[16]。

光學(xué)相控陣(即采用相控陣列光學(xué)天線來實現(xiàn)光束的高速偏轉(zhuǎn))由于具有精度高、沒有慣性、響應(yīng)速度快等特點，成為目前國際上一個熱門研究領(lǐng)域，在星地光通信中它可以作為信標(biāo)光光束瞄準(zhǔn)的新方案。北京大學(xué)在這方面的研究也有一定的進展^[17]。星地光通信方式的目的是在提高通信速率的同時降低誤碼率，目前北京大學(xué)正在開發(fā)采用一發(fā)多收和高空中繼平臺的通信方案，從波長、信道、系統(tǒng)等多方面研究最佳光信號檢測方式和信號處理技術(shù)。

2.2 其他單位研究情況

電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院的激光通信實驗室從20世紀90年代開始進行衛(wèi)星光通信的研究，主要研究方向是：大氣信道對空地光通信的影響及相應(yīng)解決方案、APT技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)計、調(diào)制/解調(diào)和光學(xué)編碼方案、背景光抑制、光學(xué)天線設(shè)計、衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)實驗仿真等。研究成果某些方面已接近國際水平。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)可調(diào)諧激光實驗室從20世紀90年代初開始衛(wèi)星光通信的研究，分別在衛(wèi)星APT技術(shù)和掃描方案、衛(wèi)星振動對誤碼率的影響和消除方案、恒星背景噪聲抑制、衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)設(shè)計方面取得了一定的進展。主要發(fā)展重點是建立衛(wèi)星間激光鏈路，目前已進入工程化實用階段。2005年開始，他們對于月地之間激光鏈路的建立的可行性進行了一定的探索^[18]。

武漢大學(xué)激光通信實驗室、中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所等科研單位也對衛(wèi)星間光通信進行了一些探索性研究^[19]。

3 星地光通信未來的趨勢

世界各國星地光通信的研究發(fā)展很快，而且都各有特點，中國各大科研機構(gòu)也各有自己的研究重點。星地光通信研究未來的較可能的發(fā)展趨勢為：提高APT系統(tǒng)的性能、提高通信數(shù)碼率和降低誤碼率、使衛(wèi)星和地面光纖網(wǎng)相連。

(1)提高APT系統(tǒng)的性能

雖然APT技術(shù)已經(jīng)在世界上發(fā)展了幾十年的時間，但是空間實驗表明，目前的APT技術(shù)還無法保證星地間激光鏈路長時間穩(wěn)定的通信，一點很小的誤差可能導(dǎo)致激光鏈路根本無法建立連接，STRV-2實驗的失敗就是一個例子。所以進一步提高APT系統(tǒng)的性能(如跟瞄精度、掃描時間、系統(tǒng)帶寬等)，克服衛(wèi)星平臺振動的影響將是未來星地光通信技術(shù)發(fā)展的重點。

(2)提高通信速率和降低誤碼率

星地光通信是為了解決衛(wèi)星與地面的微波通信的“瓶頸”而產(chǎn)生的，現(xiàn)在微波通信的數(shù)據(jù)速率已經(jīng)可以到達600 Mb/s以上，而目前已公布的成功的星地光通信鏈路的數(shù)據(jù)率僅有1.024 Mb/s。所以如何提高數(shù)據(jù)傳輸率到每秒吉比特以上，應(yīng)對未來微波通信的挑戰(zhàn)將是星地激光通信的一個發(fā)展方向。高功率激光器和高速率調(diào)制技術(shù)將是研究重點。在提高通信速率的同時還要注意對誤碼率的控制，原子濾波器的應(yīng)用將成為星地通信系統(tǒng)不可缺少的一環(huán)。

(3)使衛(wèi)星和地面光纖網(wǎng)相連

在星地光通信發(fā)展的早期，許多系統(tǒng)都使用800 nm作為激光通信波長，其間也有1 060 nm左右的系統(tǒng)出現(xiàn)。隨著貝爾實驗室、SDL公司、Lucent公司和USAF Phillips實驗室相繼研究證明陸地上光纖通信技術(shù)也能在空間技術(shù)上適用，越來越多的激光通信系統(tǒng)將采用與地面光纖成熟技術(shù)相適應(yīng)的1 550 nm左右波長的激光作為通信波長，而且地面上的光纖技術(shù)，如MOPA，也越來越多地應(yīng)用于衛(wèi)星激光通信。

可以預(yù)想未來的星地光通信系統(tǒng)將是一個將衛(wèi)星和地面光纖網(wǎng)之間相連的系統(tǒng)。

總的來說，星地光通信是一個很有潛力的通信技術(shù)發(fā)展方向，無論是為了促進經(jīng)濟建設(shè)還是科學(xué)技術(shù)發(fā)展，中國都應(yīng)當(dāng)大力加強這個領(lǐng)域的研究。

感謝柳迪、顧聞博對本文的貢獻。同時也感謝為本文研究提供支持的北京大學(xué)校長基金、北京大學(xué)工程研究院“985”基金、國家自然科學(xué)基金(60477002)。

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收稿日期：2006-02-14

作 者 簡 介

張誠，北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院電子系在讀本科生，主要研究方向為星地光通信。

胡薇薇，北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院電子系副教授，主要研究方向為ROF通信、光學(xué)相控陣、星地光通信等。

徐安士，北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院電子系教授，博士生導(dǎo)師，區(qū)域光纖通信網(wǎng)及新型光纖通信系統(tǒng)國家重點實驗室主任，光子與通信技術(shù)研究所所長，電子學(xué)系主任，院學(xué)術(shù)委員會委員。國家教育部高等學(xué)校電子信息與電氣學(xué)科教學(xué)指導(dǎo)委員會委員，國家教育部電子信息科學(xué)與工程類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會副主任委員，歐美同學(xué)會美國分會理事，美國光學(xué)學(xué)會會員。