“激光通信光學有效載荷”計劃
—美國星地激光通信演示驗證

朱貴偉（北京空間科技信息研究所）

“激光通信光學有效載荷”計劃
—美國星地激光通信演示驗證

朱貴偉（北京空間科技信息研究所）

2014年6月5日，美國航空航天局（NASA）利用新型激光通信設(shè)備成功地從“國際空間站”（ISS）向地球傳送了一段高清視頻，此舉將有助于極大提升未來深空任務(wù)的通信傳輸速率。回顧21世紀以來空間激光通信領(lǐng)域整體發(fā)展情況，歐洲和日本頻繁開展多項演示和試驗計劃，俄羅斯也在2012年首次實現(xiàn)了“國際空間站”到地面的星地激光通信試驗，而美國在演示試驗方面稍顯沉寂。自2013年底開始，美國開展多次星地激光通信試驗，最長通信距離近3.8×105km，展現(xiàn)出其在激光通信領(lǐng)域的強大實力。

1　試驗概況

“激光通信光學有效載荷”（OPALS）計劃是噴氣推進實驗室（JPL）在“輝騰”（Pheaton）計劃下開展的一個項目，以“國際空間站”為試驗平臺開展星地激光通信試驗，主要目的是快速培訓剛?cè)肼毜膶I(yè)人員，使其在高級管理人員和工程師的指導下，獲得研制小型、正樣載荷的實踐經(jīng)驗。

“激光通信光學有效載荷”計劃的試驗方案、硬件設(shè)備和軟件均由噴氣推進實驗室設(shè)計和研制，從項目啟動到在軌演示試驗歷時近5年時間。2009年10月通過任務(wù)方案評審，2010年2月通過系統(tǒng)需求評審，2011年8月完成設(shè)計評審，2013年7月空間段有效載荷交付，2014年4月搭載太空探索技術(shù)（SpaceX）公司“龍”（Dragon）飛船發(fā)射升空。2014年5月7日，“激光通信光學有效載荷”計劃空間段載荷通過機械臂成功安裝在快速后勤艙-1（ELC-1）上，隨后進行了相關(guān)測試，并開始為期90天的激光通信試驗，在6月5日成功開展首次演示驗證。

這次試驗用時總計148s，美國航空航天局在試驗中將一段名為“你好，世界！”的視頻從“國際空間站”傳送至地球，該視頻大小為175Mbit，用時僅3.5s，數(shù)據(jù)傳輸速率達到50Mbit/s，如果采用傳統(tǒng)微波下行鏈路方式，需要10多分鐘時間。由于“國際空間站”以約2.81×104km/h的相對速度繞地球運行，而激光波束的寬度又非常窄，因此通信過程中精確的瞄準、跟蹤和鎖定就非常關(guān)鍵。這相當于一個人在約9m外用激光筆瞄準一根頭發(fā)的末梢，且邊走邊保持這一動作，其難度可想而知。

美國“激光通信光學有效載荷”試驗的體系框圖

2　體系架構(gòu)

“激光通信光學有效載荷”試驗的開展，需要空間段和地面段的配合，除安裝在“國際空間站”上的有效載荷飛行系統(tǒng)（FS）外，還包括專用的地面站（GS）和任務(wù)操作系統(tǒng)（MOS）。此外，太空探索技術(shù)公司提供發(fā)射服務(wù)，通過貨運飛船將“激光通信光學有效載荷”運送至“國際空間站”，然后通過機械臂進行安裝。在載荷安裝完成后，地面任務(wù)管理系統(tǒng)通過馬歇爾航天中心、“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”（TDRS）和“國際空間站”完成空間段載荷的測控。在整個試驗中，星地激光通信鏈路是關(guān)鍵，還需要地面光學站的配合。

3　系統(tǒng)構(gòu)成

從“激光通信光學有效載荷”試驗本身來看，包括飛行系統(tǒng)、地面系統(tǒng)和任務(wù)操作系統(tǒng)三大部分。

飛行系統(tǒng)

飛行系統(tǒng)是指安裝在“國際空間站”的“激光通信光學有效載荷”的硬件部分，共包括3部分：①筒狀的密封容器，用于安裝激光器和電子期間等設(shè)備；②兩軸萬向節(jié)，用于支撐由相機和激光瞄準儀組成的光學頭；③“快速貨盤轉(zhuǎn)接器”（ExPA），即飛行釋放附帶機構(gòu)（FRAM）的上半部分，用于提供“國際空間站”與“龍”飛船之間的機械和電接口。

密封容器直徑約56cm，由鋁鍛造而成，用來保護內(nèi)部電子設(shè)備不受外部嚴酷真空環(huán)境影響，維持一個大氣壓下的常溫。內(nèi)部電子設(shè)備用于飛行系統(tǒng)的控制，并且通過“國際空間站”的通信系統(tǒng)實現(xiàn)與地面任務(wù)操作系統(tǒng)間的通信。此外，密封容器內(nèi)還搭載了加強型的軍事級激光器、定制的電源分配和調(diào)節(jié)板、兩個用于控制兩軸萬向節(jié)的電動驅(qū)動器，以及各種遙測數(shù)據(jù)采集儀器。所有部件都安裝在鋼絲繩隔振器上，以適應(yīng)發(fā)射振動環(huán)境。所有電氣和光學導管都通過真空級饋通穿過墻板，連接到下方的飛行釋放附帶機構(gòu)、萬向節(jié)和光學頭的各種連接器上。

“激光通信光學有效載荷”光學鏈路設(shè)計參數(shù)

“激光通信光學有效載荷”飛行系統(tǒng)構(gòu)成示意圖（無連接線纜示意圖）

桌山光學望遠鏡外形圖

萬向節(jié)與光學頭也安裝在飛行釋放附帶機構(gòu)上，萬向節(jié)負責光學收發(fā)機精確指向地面系統(tǒng)。兩個微步頻電機驅(qū)動萬向節(jié)轉(zhuǎn)動，通過硬停機方式實現(xiàn)110°×40°的指向范圍。為節(jié)省成本，萬向節(jié)機構(gòu)放棄了電機編碼器方案，轉(zhuǎn)而使用航位推測法，通過已發(fā)送的電機步驟指令數(shù)量來計算萬向節(jié)的指向。因此，在每次使用前，都必須對萬向節(jié)進行校準，定義軸向參考點，以確保執(zhí)行的精確度。光學頭質(zhì)量約1.36kg，安裝在仰角軸上，攜帶一部商業(yè)相機，對地面上傳的976nm信標進行捕獲與跟蹤，利用定制瞄準儀將功率為2W的1550nm激光發(fā)送回地面站。

地面系統(tǒng)

在“激光通信光學有效載荷”體系中，地面系統(tǒng)是指提供上行鏈路信標、接收飛行系統(tǒng)光學下行鏈路所需的所有硬件和軟件，是加利福尼亞州桌山（Table Mountain）地面基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)光學通信望遠鏡實驗室（OCTL）的組成部分。噴氣推進實驗室在光學通信望遠鏡實驗室原有設(shè)施的基礎(chǔ)上，開發(fā)了大量硬件和軟件。例如，在1m口徑的主望遠鏡后面增加了一系列光學鏡片，可對下傳的1550nm激光進行調(diào)節(jié)，使其聚焦在探測器上，同時還可以提供寬度1.7mrad的976nm信標光束，使得“國際空間站”上的飛行系統(tǒng)可以鎖定并跟蹤。

探測器位于光學鏡片之后，負責將光子轉(zhuǎn)換為電子，經(jīng)處理后恢復出時鐘和下行鏈路信號。由此產(chǎn)生的比特流再經(jīng)過軟件譯碼器，重構(gòu)視頻文件，還原為發(fā)送前的數(shù)據(jù)格式。此外，地面系統(tǒng)還包括一個以太網(wǎng)接口，可連接到任務(wù)操作系統(tǒng)，確保數(shù)據(jù)傳輸。光學通信望遠鏡實驗室采用了三層激光安全體系，當上空有低空飛行物、商業(yè)航空飛機、光學敏感衛(wèi)星等飛經(jīng)時，該系統(tǒng)就會中斷地面激光信標傳輸，使地面發(fā)射的激光波束不會干擾到當?shù)氐暮娇战煌ā?/p>

光學通信望遠鏡實驗室地面光學站經(jīng)歷了美國多次星地激光通信試驗，包括1992年的“伽利略”光學鏈路試驗（GOPEX）、1995-1996年的星地激光通信演示（GOLD）、2009年與日本“光學軌道間通信工程試驗衛(wèi)星”（OICETS）的星地通信試驗，以及2013年的月球激光通信演示（LLCD）。

任務(wù)操作系統(tǒng)

任務(wù)操作系統(tǒng)包括支持有效載荷與地面站成功運行所需的全部人員、程序、設(shè)施、硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)等。對“激光通信光學有效載荷”來說，任務(wù)操作系統(tǒng)的主要任務(wù)是向飛行發(fā)送指令，處理遙測數(shù)據(jù)，將地面系統(tǒng)在10min內(nèi)接收到的數(shù)據(jù)進行重構(gòu)并展示出來。

在人員方面，包括飛行操作團隊和地面操作團隊。飛行操作團隊負責飛行系統(tǒng)活動的規(guī)劃與執(zhí)行，地面操作團隊負責地面系統(tǒng)相關(guān)活動的規(guī)劃和執(zhí)行。任務(wù)操作系統(tǒng)給的硬件包括4臺PC工作站，并配備了先進的軟件，用于指令生成、遙測接收、遙測顯示、遙測查詢、星歷管理、序列生成、相機機架查看、工程日志解析，以及配置管理等。最后，操作程序文件包括活動程序、飛行規(guī)則和操作接口等，以確保對飛行系統(tǒng)和地面系統(tǒng)進行正確的遠程操作。

4　試驗方案

“激光通信光學有效載荷”演示試驗的順利開展高度依賴飛行系統(tǒng)和光學通信望遠鏡實驗室地面系統(tǒng)間的雙向可視線路。滿足這一條件的時間段即為開展演示驗證的時間。為保證地面接收機重構(gòu)信號所需的功率，要求指向精度達到300μrad（1σ）的量級。在演示驗證期間，由于“國際空間站”位置和姿態(tài)的預報難以達到這個量級的精確度，因此需要采用主動的、閉環(huán)指向系統(tǒng)。

“激光通信光學有效載荷”項目采用地面系統(tǒng)向飛行系統(tǒng)發(fā)射激光信標、飛行系統(tǒng)反饋控制跟蹤的方式，實現(xiàn)精確的指向。這種指向體系是近地激光通信采用的典型方案，有助于地面站的捕獲和跟蹤。

最初，光學通信望遠鏡實驗室望遠鏡向飛行系統(tǒng)發(fā)射一束激光信標，在演示驗證期間持續(xù)跟蹤“國際空間站”。需注意的是，該望遠鏡并不進行主動跟蹤，在整個演示過程中僅依靠軌道預報數(shù)據(jù)來實現(xiàn)對“國際空間站”的跟蹤。當“國際空間站”出現(xiàn)在地面望遠鏡25°仰角范圍內(nèi)時，飛行系統(tǒng)開始利用一系列指向預報搜尋激光波束。由于飛行相機的視場大約是7°×9°，即使軌道預報存在誤差，地面信標也能進入相機的視場內(nèi)。一旦飛行系統(tǒng)探測器探測到激光信標，飛行系統(tǒng)就會計算信標的中心位置，并驅(qū)動兩軸萬向節(jié)，使信標移動至探測器的中心，將偏離中心位置的可能性降至最低。

隨著飛行系統(tǒng)持續(xù)跟蹤地面信標，視頻數(shù)據(jù)也調(diào)制到下行鏈路激光信號上。在整個演示驗證過程中，調(diào)制序列持續(xù)處理視頻數(shù)據(jù)，從而增強信號魯棒性，對抗臨時性的衰減或云層遮擋。當演示驗證結(jié)束時，飛行系統(tǒng)執(zhí)行一系列指令，激光器關(guān)閉、萬向節(jié)收攏。隨后，地面系統(tǒng)在接收數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上開始重構(gòu)視頻。

“激光通信光學有效載荷”演示驗證的概念圖

5　總結(jié)

目前，國外在空間激光通信領(lǐng)域的發(fā)展已經(jīng)非常先進，美國和德國實現(xiàn)了低地球軌道間5.6Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率；歐洲業(yè)務(wù)型衛(wèi)星間激光通信計劃即將部署，目標速率是2.8Gbit/s；美國還在2013年底實現(xiàn)了3.8×105km距離上622Mbit/s的下行鏈路速率。反觀“激光通信光學有效載荷”試驗，在傳輸距離和傳輸速率上都沒有大幅提升，在傳輸體制上仍然采用較為落后的開關(guān)鍵控調(diào)制方式。這種反差是與此次試驗本身的目的直接相關(guān)的。

“激光通信光學有效載荷”是一個低成本項目，在資金、搭載平臺、兼容性等多方面受到了限制，其目的不是要提升傳輸速率，而是要加深對激光通信這一極富前景的技術(shù)領(lǐng)域的理解和認識，重點解決3個方面的問題：①大氣湍流特征化，包括通過記錄地面終端接收功率獲得下行鏈路衰減的統(tǒng)計特性，記錄飛行系統(tǒng)接收的信標功率獲得上行鏈路閃爍特性；②開展鏈路可用性研究，包括鏈路受地理、大氣和環(huán)境變化的影響，以及白天與黑夜對通信鏈路的效應(yīng)；③評估地面系統(tǒng)開環(huán)跟蹤的指向特性，以及飛行系統(tǒng)捕獲、跟蹤和穩(wěn)定的性能。

不論此次試驗的傳輸速率如何，都展現(xiàn)出激光通信在空間通信領(lǐng)域極大的應(yīng)用潛力。美國航空航天局稱，目前深空探測任務(wù)典型的數(shù)據(jù)傳輸速率在200～400kbit/s之間，而此次“激光通信光學有效載荷”試驗已經(jīng)將數(shù)據(jù)傳輸速率提高至50Mbit/s，未來激光通信應(yīng)用于深空探測任務(wù)，有望將火星科學數(shù)據(jù)的傳輸速率提高到1Gbit/s。

目前，國外對空間激光通信熱情高漲。美國激光（Laser Light）公司宣布了建設(shè)全光通信星座計劃，地面測試系統(tǒng)已接近完工；美國航空航天局將利用商業(yè)通信衛(wèi)星搭載載荷開展激光通信中繼演示計劃（LCRD）；歐洲泰雷茲-阿萊尼亞航天公司開始研制星上光處理設(shè)備，等等。相信隨著相關(guān)試驗和計劃的推進，業(yè)務(wù)型空間激光通信系統(tǒng)推出的步伐將會越來越快。

Optical Payload for Lasercomm Science(OPALS) Demonstration Experiment Carried out