無人機激光通信中繼載荷發展現狀與關鍵技術研究

隨著無人技術的快速發展，無人機將會更多的替代有人機執行各種偵察、監視、打擊以及信息支援作戰任務。因此，無人機對信息傳輸需求也越來越大，然而由于高度依賴通信鏈路，無人機在戰場復雜電磁環境下容易被干擾甚至欺騙，這已成為制約無人機快速發展的一個瓶頸問題。

激光通信的興起

未來無人機作戰面臨的通信問題和需求主要有：（1）無人機攜帶更多偵察和遙感載荷帶來的數據傳輸需求；（2）無人機遙控總中心與無人機飛行控制基地之間的數據共享需求；（3）無人機遙控中心與無人機之間人機交互信息的需求；（4）無人機微波傳輸信息對抗干擾和保密的需求；（5）無人機與地面遙控的總中心之間的信息實時性交互的需求；（6）無人機之間的編隊飛行之間的信息共享和戰場單機突防的信息交互需求。

從上面的需求來看，未來通信技術需要在保密和抗干擾的前提條件下，通信速率更高，實時性更高，通信距離遠，現有通信數據鏈無法完全滿足要求，激光通信是解決該問題的有效手段之一。激光具有高度的時間和空間相關性，其振蕩頻率很高，激光頻率（典型如1μm波長）比微波頻率（典型如10GHz） 高約4個數量級以上。因此，衛星的自由空間激光通信相對于微波通信具有如下明顯的優點：帶寬大、數據傳輸速率高、天線尺寸小、抗干擾保密性好。自由空間激光通信能夠以1%的微波天線面積獲得10～100倍的數據傳輸速度，預期自由空間激光通信能夠實現高達數百千兆比特每秒的傳輸速率，在傳輸同樣高碼率條件下，它還具有體積小、重量輕、功耗低的優勢。所以有必要發展激光通信技術。無人機數據鏈重點發展機-星激光鏈路，機-機間的激光鏈路。

衛星激光通信技術發展現狀

由于激光通信載荷具有體積小、重量輕、功耗低、通信碼速率高的優點，在激光器誕生伊始就預計衛星激光通信是星間通信的前沿課題。為此，歐洲航天局（簡稱歐空局）、日本、美國等技術先進國家和地區從二十世紀七、八十年代就開始進行激光通信的研究工作，經過三十多年的研究，衛星激光通信已完成了兩個里程碑的演示驗證工作，進入了衛星激光通信大發展的前夜，如圖2所示。這兩次里程碑式的星間演示為：2001年11月21日，歐空局的中繼衛星ARTEMIS與法國地球觀測衛星SPOT-4之間的50Mbit/s的激光通信試驗。2008年2月，歐空局的低軌合成孔徑雷達衛星TerraSAR-X和美國低軌衛星NFIRE之間實現的5.5Gbit/s的相干通信體制的高速通信試驗。第一個里程碑驗證了衛星激光通信的快速捕獲和高精度跟蹤技術的可行性和可靠性；第二個里程碑驗證了高數據率傳輸的可行性和可靠性。

ARTEMIS衛星上的光學數據中繼有效載荷（ODR）是半導體激光器星間鏈路試驗（SILEX）計劃的一部分，其主要任務是為SPOT-4衛星上攜帶的LEO用戶載荷和Artemis衛星間提供一條高數據率（50Mbit/ s）的星間鏈路。系統前向鏈路速率為2048Kbit/s，返回鏈路速率為50Mbit/s，誤比特率<10-6。ODR有效載荷發射信號源采用830nm鎵鋁砷（GaAlAs）半導體激光二極管，峰值輸出功率為160mW（連續輸出功率為60mW），波束寬度為0.0004°；接收器采用硅質雪崩光二極管和低噪聲互阻抗放大器，有效接收功率為1.5nW。光信號波長范圍為800～850nm。

基于SOLACOS計劃，德國航天中心DLR開展了一個更為系統的相干體制星間鏈路計劃TerraSAR-X計劃，目標是建立一套自由空間的X波段合成孔徑雷達系統。2002年DLR為研制TerraSAR-X衛星上的激光通信載荷開展了LCTSX（Laser Communication Terminal for SAR-X）計劃。2007年6月15日安裝了該載荷的TerraSAR衛星成功發射，2008年3月，美國NFIRE衛星與德國TerraSAR-X衛星使用激光載荷成功進行了空間寬帶數據傳輸。相距5000km的兩顆衛星建立了激光數據傳輸鏈路，以5.6Gbit/s的超高速數據傳輸成功地實現了雙向通信。LCTSX載荷可以用來進行星間激光通信（德國LEO衛星 TerraSAR-X和美國LEO衛星NFIRE之間）以及星地激光通信。

以歐洲數據中繼衛星系統（EDRS）為例，該系統由三顆GEO衛星組成，其中一顆中繼星是Alphasat。Alphasat衛星寬帶數據中繼計劃，將實現低軌觀察衛星Sentinel-X與高軌衛星Alphasat之間的在軌1.8Gbit/s激光通信，傳輸Sentinel-X 用戶的300Mbit/s寬帶數據。同時還將實現Alphasat衛星對高軌衛星的光學雙向鏈接和Alphasat衛星和地面站的光學雙向鏈接。實現中繼星間相干通信和星地16-PPM通信實驗。其中星間GEO-LEO光通信采用1064nm相干光通信體制。

除TerraSAR-LCTSX系列相干激光通信終端外，ESA還與瑞士Oerlikon Space公司共同開發了采用光學鎖相環（OPLL）相干接收機技術的OPTEL系列星間光通信載荷，成功實現了相干激光通信載荷的系列化。所研制的三種類型的載荷OPTEL02、OPTEL25和OPTEL80，可分別用于短程，中程和長程的星間鏈路。OPTEL25是GEOLEO相干光通信的典型代表。

OPTEL系列載荷采用階梯式泵浦方式，泵浦Nd：YAG激光光纖放大發射機及同步零差BPSK探測接收機。通信波長為1.064μm。

20世紀80年代中期到1994年間，美國空軍支持麻省理工學院林肯試驗室研制高速星際激光通信試驗（Laser Intersatellite Transmission Experiment，LITE）裝置是世界上首次采用外差式接收方式的激光通信試驗系統，其目的是驗證相干激光通信的可行性。該試驗采用30mW半導體激光器，200mm口徑的望遠系統，數據率為220Mbit/s，通信距離為40000km。

2013年年底美國進行了月球激光通信鏈路驗證（LLCD），LLCD終端利用NASA“月球大氣和塵埃環境探測器”（LADEE）和NASA研制的地面終端（將部署在美國西部）之間實施高速率通信。通信速率40～622Mbps，16PPM通信體制，LADEE有效載荷將測試月球軌道與地球之間的激光鏈路。LADEE激光終端正由麻省理工的林肯實驗室建造。

NASA與勞拉公司太空系統分部簽署了一份不尋常的寄宿有效載荷合同，NASA將投資2.3億美元在地球靜止軌道衛星和美國境內的NASA地面終端之間進行激光光學通信實驗。目前NASA戈達德航天飛行中心正在建造一個重175kg的激光通信中繼終端（LCRD），該終端將搭載在商業通信衛星上，預計2016年升空。DPSK調制解調，通信速率1.25Gbps，地面雙站接收。

從上面可以看出激光通信在衛星太空中的試驗已經得到多次驗證，并且已經突破了高精度遠距離的捕獲跟蹤技術（跟蹤精度3urad，捕獲時間小于3s），高靈敏度激光通信技術（通信速率5.6Gbps，30光子數/bit）。已經具備任務載荷的能力，并且計劃空天一體化的通信鏈路的構建。

機載激光通信技術發展現狀

歐洲航天局對于飛機與地面進行多次試驗，STROPEX計劃驗證了激光鏈路的2.5Gbps的通信能力，飛機與地面的捕獲跟蹤建立能力。通信最大距離50km，捕獲跟蹤建立最大距離79km，可以保證在40km以內的鏈路實現90%的能力。系統具有1.25Gbps的通信速率，通信時飛機的最大飛行速度Ma0.7。采用捕獲跟蹤的萬向節式，飛機吊艙形式安裝。

德國航天局在2008年進行飛機與地面的激光通信，采用吊艙式安裝，通信距離40～85km，跟蹤精度266urad，通信速率125Mbps，信標波長630nm，通信波長850nm。2009年進行了飛行驗證試驗。

歐洲同樣進行了高空平臺與地面進行的激光通信，通信距離63.4km，在22km高度的浮空平臺上面安裝潛望式激光通信終端，通信功耗75W，通信捕獲跟蹤信標光波長988nm，通信波長1550nm，整機質量17.5kg。

美國空軍曾在轉型通信體系計劃中考慮采用更大容量的激光通信技術，設想了采用激光通信的高容量軍事通信衛星。然而，該計劃因為成本超支而在2009年被取消。但空間激光通信技術并未消亡。“死神”無人機制造商與德國Tesat空間通信公司合作，在2013年第四季度初演示“死神”無人機與衛星的激光鏈接。Tesat公司在“阿爾法平臺”衛星上放置一個激光終端，用來與無人機通信。

2012年6月，空軍研究實驗室發布了一項信息請求，為“未來軍事衛星通信需求”尋求空間激光通信終端。美國空軍將繼續對激光通信技術的其他方面進行投資，空軍研究實驗室即將完成高速陸地激光通信地面終端技術的有關研發工作。

ITT Exelis公司正在獨立從事陸地領域方面的研究工作，提供能部署到在陸地、海洋與空中的軍事平臺上的激光通信節點。該公司開發的是移動激光通信技術。該公司花費7年時間自籌資金研發“瞄準捕獲與跟蹤”系統。已經在相距130km的目標之間實現了每秒30億字節的空對空鏈路，實現了65km的空對地鏈路和35km的地對地鏈路。因為激光通信必須通視，因此必須具備無線電轉發器的連接節點，才能在更大的距離和超視距范圍上拓展系統通信范圍。

同樣的，林肯實驗室也進行了飛機與地面進行的激光通信，通信范圍覆蓋半徑65km～30km，通信速率2.5Gbps，采用萬向節伺服跟蹤的方式，通信主要驗證大氣對于波面的影響以及濃霧和水氣比較大的天氣對激光通信的影響情況。

歐美都在進行與激光通信技術相關的研究，已經進行若干飛行試驗，受到天氣影響的因素窗口相對比較小。飛機與地面的激光通信距離在100km以內時，通信速率可以達到Gbps，地面屬于不動站，通信終端的自身采用捕獲跟蹤形式比較可靠。通信期間的飛行基本上屬于穩定的平飛狀態，所以如果激光通信無人機飛行軌跡和飛行姿態變化較大，采用激光捕獲跟蹤的形式進行通信將會比較困難。

無人機寬波束激光通信中繼技術

無人機通信不同于有人機間的通信，有人機之間的通信，為了保證通信未被干擾和截獲，采用窄波束的微波或者激光通信，這樣使得有人機通信期間的飛機姿態的靈活性受限，但可以在飛行員的操控范圍內進行。而無人機屬于地面控制的方式或者自主飛行的模式，所以對于無人機之間的通信采用窄波束通信，容易出現由于無人機優先級高的平臺生存問題使得通信建立保持困難。所以采用寬波束的光學通信是解決此問題的手段之一。寬波束光學通信即可以保證無人機通信鏈路的建立保持健康和可靠，又能保證通信的抗干擾和抗截獲能力提升。

現階段無人機通信即要保證通信速率高，不被截獲并且通信鏈路可靠和穩定，這里存在很多技術相互掣肘的問題。由于飛機平臺穩定度和微量振動，飛機姿態變化靈活，偏航角度變化大，所以采用高精度的衛星激光通信技術，即是不確定區域捕獲，捕獲牽引到跟蹤，繼而進行高精度的跟蹤，跟蹤精度可以達到2urad。如此高精度的使用使得鏈路可靠性大幅度降低，所以基于此需要新的技術體制促進飛機間激光鏈路的建立。主要技術路線如下：

（1） 激光采用高峰值功率的脈沖形式發射，采用空間位置調制技術（PPM），美國月球飛行器與地面采用此種通信方式，通信速率可以達到622Mbps。

（2） 寬激光波束角發射，發射角度初步定為±30°，可以保證覆蓋飛機偏航角度。

（3） 采用APD雪崩二極管探測，可以使得探測效率大幅度提高，保證技術的先進性，美國在火星對地2.25億千米的激光鏈路中采用此技術。APD雪崩二極管采用雪崩二極管增加靈敏度，可以大幅度減小接收的激光天線口面，使得飛機平臺的安裝位置更加靈活。

（4） 在動態鏈路跟蹤上，必須添加方位伺服機構以保證可以實現360°方位角度的變化，研制階段分兩步，第一步采用成熟電機的伺服機構進行方位跟蹤；第二步采用MEMS光路技術，使得激光端機的重量與功耗降低，并且跟蹤更加靈活和閉環跟蹤帶寬提高。

需要解決的關鍵技術有：窄帶激光高靈敏度（-70dBm）接收技術；寬波束大功率激光通道發射技術；寬視場喇叭式激光接收通道技術；激光脈沖X-PPM的調制和解調技術。

當前，工程實現器件方面已經成熟，激光器和光學以及探測方面所需器件的國內器件供應商已經解決，所以可以著手進行相關的產品研制。星載激光端機條件已經具備，可以開展無人機與衛星激光通信，無人機與地面以及無人機與無人機之間的實驗驗證，最終形成完整的無人機中繼激光通信數據鏈。

結束語

未來無人機執行遠程、遠海作戰任務，依靠衛星微波通信中繼一方面無法滿足大容量通信需求，另一方面抗干擾、抗截獲能力弱，急需發展新體制中繼通信技術，激光通信是最有前景的技術解決手段。國外激光通信發展從70年代開始IM/ DD激光通信的研究，現在已經開始發展飛機與衛星以及飛機與飛機之間的通信鏈路，其關鍵是跟蹤瞄準技術。國內的跟蹤瞄準技術以西安分院構建的激光通信演示驗證平臺為先河，緊跟國外先進技術，沒有顯著技術代差。因此，開展無人機激光通信中繼技術研究具有顯著的軍事效益和經濟效益。

（責任編輯：王瀟一）