衛星激光通信現狀與發展趨勢分析

袁鈺斌

摘 要：本文對近十年的衛星激光通信進行了一個梳理研究，并著重介紹了衛星激光通信的發展現狀以及發展方向，隨著社會的發展，人們對通信的需求與日俱增，希望本文的研究能夠對未來衛星激光通信技術的發展有所幫助。

關鍵詞：衛星激光通信；現狀；發展趨勢；分析

引言

在激光通信技術誕生之前的很長一段時間，人們主要是通過微波通信來進行遠距離的通信，它可以跨越時空限制，但是缺點也很大：微波頻率作為一種稀缺資源，生產價格比較昂貴，隨著人們生活水平的提高，對通信的需求也大大增加這種技術由于成本高就很難滿足民眾日益增長的需求了。因此，這就需要研究新的通信技術來代替微波通信，以滿足社會的各種通信需求，于是衛星激光通信技術應運而生，逐漸成為高新技術領域通信傳輸的新興技術。該技術的可傳輸容量非常大，并且能夠完美融入其他通信技術，減少中間的解碼過程，它為實現高速全球無縫連接提供了新的手段。

1 衛星激光通信的種類

根據激光傳輸環境的不同，可以將衛星激光通信分為兩大類：一種是真空環境下的激光通信，它也叫做星間激光通信，這種通信技術主要應用范圍很窄，主要是在一些高端的特殊的設備中，因為在常態環境下，很難達到真空的要求，因此使用的范圍較小，局限性較大，例如在衛星與衛星或者與飛船、航天飛機等之間的通信屬于真空通信，因為太空中沒有空氣，達到這一要求相對簡單；第二種是在大氣環境下進行的激光通信，這種通信技術應用比較廣泛，例如在衛星與地面、海上用戶及空中飛行器的連接等，它也叫做星地激光通信。衛星激光通信技術的研發開始于20世紀70年代，在當時情況下，人們已經意識到微波通信的局限性，于是開始探索新的通信方式，到了20世紀90年代才開始進行實驗，研究的時間非常長，因此，該技術仍然處在發展階段，現階段的發展狀況仍然有前進的空間，而且未來的發展前景也是非常廣闊的①。

2 衛星激光通信技術的發展現狀

衛星激光通信技術的發展時間非常短暫，所以，該技術的實踐應用還很不成熟也很難運用到實踐中去，還存在許多問題亟待解決。而美國在該技術領域做了很多有益的探索。不可否認的是，美國在衛星激光通信技術領域始終走在世界前列，他們在這一領域不但研究時間長、投入大，而且取得的成績也是最顯著的。早在1994年，美國研發中心就開始對深空通信進行了大量的試驗研究并且仔細論證，希望能找到攻克深空通信的核心技術，它們首先綜合分析了激光同X波段/Ka波段通信的效費比，最終的結果顯示激光技術在進行大數據量的傳輸作用方面存在明顯的優勢，并且這種優勢非常明顯。

在之后的研究中，美國研發中心開始在激光調制/檢測的方法方面進行了細致的研究，研發中心最后明確了發展的方向，那就是以脈沖位置調制及其相關改進調制的方式當做重點的發展方向。美國研發中心也進行了深空數據的星載中繼和地面站直接接收方案比較，結果表顯示，要想實現不間斷地深空激光鏈路的數據中繼，單個星載中繼站與多個地面站投資成本是差不多的。但是多地面站聯網工作的優勢較為突出，例如它可以通過分散部署降低天氣對激光通信的影響，進而能夠使其達到與星載中繼站的方式相同的效果，同時，這種技術在天氣情況非常好的前提下，能夠在同一時間對多個深空探測器進行精確的跟蹤，提高工作的效率。因此，美國在該技術上的研發重點是用于深空通信的多光學地面站。研發中心在2009年時，又進行了實地實驗，設計了3路上行信號光當做通信的載體，這些激光的最大發射功率超過20mW，功率非常強，在其他國家很難達到這一功率，但是，這項實驗并沒有取得非常好的效果，因為衛星上的平均接收功率還是非常低，只有不到-70dBm，很難達到通信的要求，而且，信號的強度只能達到精跟蹤傳感器的靈敏度。因此，上行鏈路只能維持基本的光束跟蹤，并不能保證碼元同步，常常會出現信號太弱導致時鐘同步失鎖的情況發生，造成通信中斷②。

3 衛星激光通信技術的發展趨勢

根據最新的研究結果可以看出，目前衛星激光通信技術的發展仍存在很多技術瓶頸亟待解決，發展前景不容樂觀。其中一個很重要的原因就是激光功率強度在未到達衛星是就已經衰減大半，衰減的同時會損失大量的能量，那么到達衛星的激光就很難滿足保存通信數據的需求，更別談提供通信的功能了。美國的激光發射設備公認為世界上最先進的設備之一，具有一米以上的超大孔徑天線，具備完善的光機電一體配套設施，并配備非常精密的測控系統，配套設備非常完善。但是，即使配備這些先進的設備，也難以保證衛星穩定接收到來自地面的信號。因為激光在從地面到達衛星的過程中會遇到很多介質阻礙，這些介質會強力阻礙激光到達衛星的速度，這是因為激光在穿越空氣介質時，由于摩擦作用會損失掉大量的能量，能量損耗過大，激光的強度就會大幅削弱，相反，激光在從衛星達到地面的過程中，損失的能量較小，因為，在太空中的介質幾乎為零，損失的能量可以忽略不計，直到接近地面時才會有大氣衰減和相位畸變。所以，解決激光通信難題的關鍵是減少地面到衛星激光能量的衰減，提高傳輸效率，保證激光強度。衛星激光通信技術與十年前相比，已經有了巨大的進步，發展得較為成熟。借助衛星激光鏈路組建空間骨干網具備了初步的硬件條件，空間組網是衛星激光通信下一步發展趨勢。

4 結語

目前，衛星激光通信技術的發展已較為成熟，相信只要能夠攻克地面到衛星激光能量衰減的技術瓶頸，該技術的應用一定會早日鋪開并大范圍推廣，需要注意的是該技術的發展趨勢是建立空間組網，使得激光在更加有效的環境下進行傳輸。

參考文獻

[1] 李勇軍，趙尚弘，吳繼禮.零相位因子LEO/MEO雙層衛星光網絡設計[J].中國科學，2011（2）：10-21.

[2] 楊宇冠.多脈沖位置調制衛星光通信中時鐘抖動對比特錯誤概率影響[J].光學學報，2013（9）：20-24.