空間激光通信最新進展與發展趨勢

高鐸瑞，李天倫，孫 悅，汪 偉，胡 輝，孟佳成，鄭運強，謝小平

(中國科學院 西安光學精密機械研究所 瞬態光學與光子技術國家重點實驗室，陜西 西安 710119)

1 引 言

空間激光通信經過多年探索取得了突破性進展，已成為解決微波通信瓶頸、構建天基寬帶網、實現對地觀測海量數據實時傳輸的有效手段[1-6]。激光通信終端具有體積小、質量輕、功耗低等特點，非常適合作為衛星有效載荷，能夠滿足航天活動日益增長的通信需求。美國、歐洲、日本等對空間激光通信系統所涉及的各項關鍵技術展開了全面深入的研究，已開發出多套衛星激光通信終端，并成功完成多項在軌試驗，技術基本成熟，已經開始規劃建設可覆蓋全球的天基激光通信網絡[7-13]。本文在總結空間激光通信最新研究進展基礎上，對空間激光通信技術的發展趨勢進行了深入分析。

2 國內外發展現狀

國外空間激光通信技術近年來取得飛速發展，主要研究機構有美國NASA JPL(噴氣推進實驗室)、NASA GSFC(哥達德太空飛行中心)、麻省理工學院林肯實驗室、加州理工大學；歐洲的ESA(歐空局)、德國空間中心、法國國防部采辦局；日本的JAXA(日本航天局)、NICT(日本國家信息通信技術研究所)等，表1總結了國內外空間激光通信演示計劃。

表1 空間激光通信演示計劃

2.1 美國

(1)激光通信中繼演示驗證(LCRD)

LCRD是美國開展的空間高速光通信演示驗證項目，目的是驗證空間激光通信鏈路與網絡技術。預計2019年中期搭載空間實驗衛星STPSat-6發射升空，主要開展GEO-地面站之間的雙向激光通信試驗，即地面站-GEO-地面站的中繼激光通信試驗[14-15]。LCRD可提供在軌壽命2年的高速激光通信服務。該項目由NASA GSFC、NASA JPL、麻省理工學院林肯實驗室聯合開發。

LCRD任務結構圖如圖1所示，由2個星上激光通信終端，2個光學地面站(一個位于夏威夷，一個位于加州)構成。主要參數：通信速率2.88 Gbps，通信制式兼容DPSK和PPM，通信距離45 000 km。

圖1 LCRD任務結構圖 Fig.1 Block diagram of LCRD mission

LCRD空間載荷包括2個獨立的激光通信終端(OST)，分別與地面站或飛行平臺建立激光通信鏈路；空間交換單元(SSU)管理LCRD載荷的控制、數據路由和遙控遙測指令。每個OST由光學模塊(OM)、調制解調器和電控箱(CE)構成，載荷的結構圖如圖2所示。

光學模塊(OM)包括1個口徑為10.8 cm的卡塞格倫望遠鏡和1個兩軸萬向節，發射和接收的光信號通過單模光纖與望遠鏡耦合。

調制解調器支持PPM和DPSK信號，調制速率為2.88 Gbps，能夠產生測試數據幀，同時具備自測功能，可以完成校準、內部回環測試。

電控箱(CE)包含光學載荷的指向、捕獲、跟蹤(PAT)軟件，接收來自OM的反饋信號，生成PAT軟件的控制信號，支持光軸校準和其他功能。

空間交換單元(SSU)是有效載荷的中央控制器。SSU將接收和路由用戶數據，接收和處理有效載荷命令，并累積和傳輸有效載荷遙測信息。從一個空間通信終端接收到的用戶數據，可以在SSU內部路由到兩個目的端口。

據最新報道稱，LCRD各單元設計、加工裝調已完成(如圖3)，正在進行空間環境適應性試驗。預計2018年6月，各有效載荷將運送至航天器。

(2)集成的激光通信終端(ILLUMA-T)

該項目是對LCRD計劃的拓展，NASA計劃發展低成本的近地集成ILLUMA-T終端，預計2021年初發射至國際空間站(ISS)，目的是建立GEO-LEO之間的雙向通信鏈路，完成ISS-LCRD-地面站空間組網，如圖4所示[16]。通信速率為2.88 Gbps，通信制式兼容DPSK和PPM，終端質量小于30 kg，功耗為100 W，每個終端成本預計達500萬美元。

圖2 有效載荷單元子系統 Fig.2 Payload element subsystems

圖3 LCRD各單元實物圖 Fig.3 Images of LCRD parts

ILLUMA-T項目的主要目標如下：

(a)使用集成電子/光電子技術，減小了航天調制解調器的體積、重量、功耗和價格。

(b)使集成化的LEO空間調制解調器形成產業鏈。

(3)深空光通信(DSOC)

2023年，NASA計劃發射一顆探索性金屬衛星Psyche，在火星和木星之間運行，并搭載激光通信終端DSOC，進行一系列深空激光通信試驗，通信距離為5 500萬千米[17-18]。

系統架構如圖5所示，在深空航天器上搭載了一個口徑為22 cm、發射波長為1 550 nm、平均激光功率為4 W的深空激光通信終端，最大通信速率可支持267 Mbps的串聯脈沖位置調制(SCPPM)。

地面激光發射機采用位于加利福尼亞州桌山的1 m直徑光學望遠鏡。激光信號波長為1 064 nm，最大平均功率達到5 kW。地面信標光作為深空激光通信終端的指向參考，其可調制2 kbps的LDPC編碼數據。

地面激光接收機采用位于加利福尼亞州帕洛馬山的5 m直徑海爾望遠鏡，收集下行鏈路微弱的深空光信號。使用具有信號處理功能的改進型單光子探測器組件對接收到的碼字進行同步、解調和解碼。

圖4 ILLUMA-T演示示意圖及終端圖片 Fig.4 ILLUMA-T demonstration and laser communication terminal

該項目預計2018年～2019年進行地面試驗測試，2023年搭載衛星Psyche發射，2026年運行至工作軌道。

2.2 歐洲

(1)歐洲數據中繼系統(EDRS)

歐洲數據中繼衛星系統(EDRS)包括3顆GEO衛星，每個衛星都搭載激光通信有效載荷(EDRS-A、EDRS-C、EDRS-D)，以實現星際信息傳輸，如圖6所示(左)[19]。EDRS使得歐洲不再依賴于他國第三方基站進行空間數據高速傳輸，解除了歐洲信息傳輸獨立性的潛在戰略性危機。

2016年1月，EDRS的首個激光通信數據中繼有效載荷EDRS-A寄宿在“歐洲通信衛星”(Eutelsat)9B上進入地球靜止軌道。EDRS-A包含一個用于光學星間鏈路的激光通信終端(LCT)和一個用于星地鏈路的Ka波段無線電發射機。同年6月，EDRS-A與LEO衛星“哨兵-1A”進行了激光通信，接收了來自“哨兵-1A”的圖片數據，然后通過Ka波段無線電發射機回傳至地面，地面接收到的圖片如圖6所示(右)[20]。ESA擬在2018年發射EDRS-C，在2020年補充第三顆衛星EDRS-D構成“全球網”，從而實現全球數據中繼服務。

圖6 EDRS演示系統與EDRS-A接收的圖片 Fig.6 EDRS demonstration system and EDRS-A receiving image

該星際LCT是前期德國TerraSAR X衛星與美國NFIRE衛星所搭載的LCT的升級版，通過增加激光發射功率、增加接收光學口徑和適當降低通信速率來補償長距離引起的大空間損耗。其主要性能指標為：通信距離為4.5萬千米，激光發射功率為5 W，接收發射天線口徑為135 mm，通信速率為1.8 Gbps，通信制式BPSK，激光波長為1 064 nm。

(2)OPTEL-μ

2018年1月，RUAG Space公司將發射一顆名為OPTEL-μ的微型激光通信終端至LEO。該系統由低軌道微型空間終端和地面終端組成，如圖7所示。項目啟動于2010年，目的是將LEO衛星上產生的數據以2.5 Gbps的速率傳輸到光學地面站[21-22]。微型空間終端的設計遵循輕小型、穩定型和多功能的原則，為各種低軌道小衛星平臺服務。該終端的重量為8 kg、體積為8 L、功耗為45 W。

圖7 OPTEL-μ演示系統 Fig.7 OPTEL-μ demonstration system

OPTEL-μ終端設計采用模塊化方法，由光學頭單元(OH，位于航天器外部的最低點面板上)、激光單元(LU，位于航天器內部)和電子單元(EU，位于航天器內部)3個功能單元構成，OH、LU和EU通過電纜和光纖相互連接。

光學頭單元(OH)完成PAT的功能，確保衛星通過地面站期間光通信鏈路的建立與維持。OH的設計如圖8所示，其中OH通過航天器面板上的切口安裝。OH的主要物理參數如下：質量為4.4 kg，體積為204 mm×238 mm×226 mm。

圖8 OH設計圖 Fig.8 Optical head design

電子單元(EU)提供了完備的電氣功能和性能來操作和控制OPTEL-μ終端，設計圖如圖9所示。EU由終端控制器、通信電子單元(TCU)、RF模塊(RFM)和功率調節單元(PCU)組成。EU的主要物理參數如下：質量為1.8 kg，體積為207 mm×227 mm×65 mm。

激光單元(LU)由脈沖激光發射模塊和光放大模塊兩個獨立部分組成，兩個模塊使用光纖連接，如圖10所示。激光發射模塊由1 544 nm和1 565 nm兩個獨立的光通道構成，分別調制1.25 Gbps的OOK信號。光放大模塊集成了兩個獨立的光纖放大器。LU的主要物理參數如下：質量為1.6 kg(PLT 0.9 kg；OFA 0.7 kg)，體積為218 mm×115 mm×61 mm，OFA 158 mm×165 mm×24 mm。

圖9 EU設計圖 Fig.9 Electronics board configuration

圖10 激光發射模塊和光放大模塊設計圖 Fig.10 Pulsed laser transmitter and optical fiber amplifier design

地面終端采用0.6 m口徑的光學望遠鏡，發射1 064 nm、25 kbps 16-PPM調制的上行光信號。

(3)OPTEL-D

圖11 OPTEL-D演示系統 Fig.11 OPTEL-D demonstration system

2020年10月，ESA計劃發射一顆衛星執行Asteroid Impact Mission(AIM計劃)，探索Didymos雙星，防御行星碰撞地球[23]，并搭載RUAG Space公司研制的深空激光通信終端OPTEL-D執行深空激光通信任務，回傳行星圖像信息，演示系統如圖11所示。OPTEL-D是RUAG Space公司花費了15年時間專門為深空激光通信設計的，兼具激光測距功能。表2列出了AIM光通信系統的主要參數。

表2 AIM光通信系統的主要參數

OPTEL-D終端原理框圖如圖12所示。該終端的光學望遠鏡采用消像散離軸反射式望遠鏡(口徑135 mm、視場±0.3°)，并在前面引入單鏡面粗指向裝置(CPA)，CPA可以在方位(±90°)和垂直(±10°)方向轉動，確保行星表面到地球的激光鏈路持續穩定工作。內部加入慣性偽星參考單元(IPSRU)，其發射出的光束與來自地球的信標光相疊加，用以消除平臺震動，提高終端的下行指向能力。提前瞄準裝置(PAA)用以提供預判性的精準指向和跟瞄，這主要用于克服星間相對運動對光束捕獲帶來的阻礙。

圖12 OPTEL-D終端原理設計圖及CPA結構圖 Fig.12 Design schematic of OPTEL-D terminal and configuration of CPA

2.3 日本

(1)日本數據中繼衛星(JDRS)

為了滿足日益增長的高速數據傳輸需求，JAXA著手開發一種新的光學數據中繼系統。該系統采用數據中繼衛星JDRS，通過衛星間光鏈路和Ka波段饋線鏈路提供1.8 Gbps數據中繼服務。JDRS目前處于初步設計階段，計劃于2019年發射。該項目的任務不僅是開發GEO光學終端，還包括地面設施和LEO光學終端。LEO光學終端將搭載在JAXA的光學觀測衛星“先進光學衛星”(Advanced Optical Satellite)上，同樣計劃于2019年發射[24-25]。光數據中繼系統的演示將在這兩顆衛星之間進行，如圖13所示。計劃的任務期限是10年，在此期間，JDRS還將支持與JAXA的其他LEO航天器間的通信。

圖13 JDRS演示系統示意圖 Fig.13 JDRS demonstration system

主要技術指標如表3所示，其中返回方向是指從LEO衛星通過數據中繼衛星返回地面站，前向是相反的。關鍵技術規格如下。

表3 JDRS和光學數據中繼系統技術規格

*光鏈路和饋線鏈路的總誤碼率.

(2)先進激光儀器高速通信(HICALI)

NICT已經啟動HICALI(High speed Communication with Advanced Laser Instrument)項目，以促進下一代空間激光通信技術研究。該項目的目標是實現10 Gbps量級，從地球同步衛星到光學地面站(OGS)的空間激光通信，通信波長為1 550 nm[26-27]。該激光通信終端將于2021年搭載高吞吐量衛星(HST)發射至地球同步軌道。圖14顯示了HICALI項目的示意圖，它不僅將搭載HICALI終端，還將搭載射頻(RF)終端。

HICALI項目的主要目標如下：

(1)在軌驗證首次10 Gbps量級GEO到OGS的激光通信；

(2)在軌驗證新型光調制/解調方法；

(3)在軌驗證新型高速光學器件可靠性；

(4)激光束傳播數據的獲取和在軌實驗經驗積累。

HICALI項目于2014年進行了可行性研究，確定了關鍵部件：采用波分復用(WDM)技術的器件、光延遲線干涉儀、可調諧激光器組件(ITLAs)和高速數字處理器件等。

圖14 HICALI演示系統示意圖 Fig.14 HICALI demonstration system

3 空間激光通信發展趨勢

空間激光通信技術近年來飛速發展，許多技術難題逐步被攻克。例如，快速高精度指向、捕獲、跟蹤(PAT)技術，大氣湍流效應抑制及補償技術，窄線寬大功率激光發射技術、低噪聲光放大技術和高靈敏度DPSK/BPSK/QPSK光接收技術等。這些技術難題的攻克，為實現星際激光通信奠定了基礎?？v觀空間光通信技術領域的發展，呈現以下趨勢。

3.1 高速化

近年來空間激光通信的迅速發展主要表征在速率方面，各國提出的計劃有：

(1)2016年，歐洲發射了數據中繼衛星系統EDRS的第一顆衛星EDRS-A，實現了在4.5萬千米下速率1.8 Gbps的BPSK激光通信。

(2)2019年，日本計劃發射數據中繼衛星JDRS，進行高軌衛星對低軌衛星的激光通信及中繼驗證，采用DPSK通信制式，通信速率為1.8 Gbps。

(3)2019年，美國計劃實施激光中繼演示驗證LCRD，進行高軌對地面的激光通信，采用DPSK通信制式，通信速率為2.88 Gbps。

(4)2021年，日本計劃開展HICALI項目，促進下一代激光通信技術研究，并在LEO軌道上驗證10 Gbps級激光通信。

如圖15所示，空間激光通信從最初的2 Mbps、125 Mbps、622 Mbps，一直發展到1.8 Gbps、2.8 Gbps、10 Gbps，未來將達到40 Gbps、100 Gbps。

圖15 空間激光通信高速化示意圖 Fig.15 Schematic of high-speed space laser communication development

高速空間激光通信的主要優點是大容量實時信息傳輸，主要難點是高速率光發射以及高靈敏度接收等關鍵技術。主要技術途徑包括高階調制技術(QPSK/DQPSK/M-QAM等)、光復用技術(波分/時分/偏振/軌道角動量等)、高靈敏度相干接收技術等。

3.2 深空化

近地激光通信已經做了大量演示驗證試驗，NASA和ESA現已將深空激光通信列入研究計劃，激光通信將成為深空探測活動的主要通信方式。

(1)2013年，美國實施了深空激光通信項目的第一步月球激光通信驗證(LLCD)，實現了月球對地40萬千米的長距離激光通信，為接下來更遠距離的深空通信做準備。

(2)2020年，歐洲計劃執行AIM計劃，搭載激光通信終端OPTEL-D，進行7 500萬千米超遠距離激光通信。

(3)2023年，美國計劃發射繞火星軌道的深空激光通信終端DSOC，進行5 500萬千米火星對地球的深空激光通信。

深空激光通信的主要優點是可實現月球、火星、木星等超遠距離深空探測任務信息的回傳，主要難點是高功率光發射以及高靈敏度接收等關鍵技術。主要技術途徑包括超高功率光發射技術、大口徑光學天線技術、高靈敏度單光子探測技術等。

3.3 集成化

美國、歐洲和日本近年來都在發展集成化、輕量化、小型化的激光通信終端，搭載于小型LEO衛星上。

(1)2014年日本NICT研制了超小型LEO激光通信終端SOTA，整個終端質量小于5.9 kg，功耗小于40 W。

(2)2018年，日本NICT計劃發射超小型激光通信終端VSOTA，運行于太陽同步軌道，終端質量小于1 kg，功耗小于10 W。

(3)2018年，歐洲計劃發射OPTEL-μ微型激光通信終端至LEO，OPTEL-μ終端的設計滿足輕小型、穩定型和多功能的要求，重量為8 kg、體積為8 L、功耗為45 W。

(4)2023年，美國NASA計劃發射光子集成ILLUMA-T終端至ISS，通信收發機采用光電子集成技術，終端重量小于30 kg，功耗為100 W。

集成化激光通信終端的主要優點是體積小、重量輕、功耗低、穩定性好和成本低，通常搭載在低軌小衛星上。主要技術途徑是光學天線和轉臺的輕量化、小型化，通信收發機的集成化。

3.4 網絡化

目前，世界上空間激光通信都是點對點，嚴重影響了通信中繼、組網和應用。激光通信組網是未來發展的必然趨勢。

(1)2010年，美國提出轉型衛星通信計劃(TSAT)，旨在于2020年左右建立一個類似互聯網的天基通信網絡傳輸結構，將激光通信與微波通信集成互補，實現無盲點通信。

(2)2012年，ESA提出MEO計劃“LaserLight”，將12顆MEO衛星通過激光鏈路組成環形網，目前正在建設中，2018年以后開始運營。

(3)2018年，美國Laser Light Global公司計劃部署全球全光混合網絡系統HALO，系統由8～12顆MEO衛星組成，鏈接已有的海底光纜和地面光纖網絡。系統容量可達6 Tbps，用戶雙向鏈路達200 Gbps。

激光通信網絡化的主要優點是通信網絡快速、實時、廣域，主要難點是小束散角組網、動態拓撲接入、長延時等。主要技術途徑是突破“一對多”激光通信技術、突破“多制式兼容”激光通信技術、突破全光中繼技術、研究動態路由解決接入難題、尋求激光微波通信聯合體制等。

3.5 一體化

空間激光通信與測距具有許多相似性，例如，它們都需要指向、捕獲、跟蹤(PAT)單元，脈沖時序檢測，都受到大氣影響等。因此，可以把它們有效結合成一個系統，通過發送與接收單束激光實現通信與測距功能的復合。主要代表有：

(1)2009年，俄羅斯在GLONASS-K衛星上搭載星間激光測距通信系統并完成在軌試驗，鏈路距離為55 000 km，信息速率為50 kbit/s，測距精度為3 cm。

(2)2013年，美國NASA的LLCD系統，除622 Mbps激光通信外，還可完成3 cm精度的激光測距功能。

(3)2020年，ESA計劃發射一顆衛星執行AIM計劃，該衛星搭載深空激光通信終端OPTEL-D，OPTEL-D同時具備激光通信與測距功能。

在通信測距一體化方面，主要優點是通信與測距相結合，使一種設備具有多任務功能，從而降低對體積、功耗的要求，并提高系統的性價比。主要難點是抗干擾能力差、測距光能弱。主要技術途徑是采用測距與通信共波長、調制雙體制、偽碼與通信信號變換技術等。

4 結束語

空間激光通信憑借其帶寬優勢，有望成為未來空間高速通信的主要方式。美國、歐洲、日本等對空間激光通信系統所涉及的各項關鍵技術展開了全面深入的研究，已開發出多套衛星激光通信終端，并成功完成多項在軌試驗，正在規劃建設可覆蓋全球的天基激光通信網絡。我國空間激光通信雖然起步較晚，但在十一五、十二五期間已經布置了大量空間激光通信的研究內容，攻關了快速捕獲跟蹤技術、高靈敏度相干通信技術、大氣湍流抑制技術、自適應光學技術等關鍵技術。且已成功進行了多個在軌演示驗證項目，包括LEO-地、GEO-地的在軌驗證。與歐美國家相比，在星間通信、深空激光通信方面仍有一定的差距。

本文介紹了國際上空間激光通信最近的研究計劃及未來的發展趨勢，有助于及時了解發達國家在空間激光通信方面的設想及規劃。把握國際上空間激光通信技術的發展趨勢，有利于提前做好技術準備，使我國空間激光通信技術穩步發展。