應用于小行星勘測的激光通信系統

尚吉揚 袁杰 于大海 張宇 鄭璧青

摘要：隨著深空探測技術的發展，小行星探測已成為21世紀深空探測的重要內容之一。利用小型遙控探測器對小行星表面進行考察過程中，傳輸高分辨率圖像和三維影像信號至地面是關鍵。如果能用激光進行遠距離通信，可以縮小體積，提高速度及光束質量。

關鍵詞：激光通信;小行星探測;激光應用

中圖分類號：TP391.41;V476 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）04-0015-01

0 引言

我們能夠建立一個激光通信系統，實行小行星勘測任務，為實時通信和3D高清晰度視頻提供更好的數據質量。對于地面控制人員提供“網真技術”。

本文首先討論了激光通信技術的優勢，調研了光通信技術研究進展情況，初步探討了光通信技術在實際應用中的關鍵技術，為研究光通信系統走向實用化提供技術參考。

1 激光通信系統優勢

在深空距離上進行通信十分困難，通信波束隨發射機和接收機之間的距離呈平方擴散，通信難度也隨著距離的增加呈二次方增大。目前的通信技術可以方便的建立地球同步軌道（GEO）和地面之間的通信并能維持在Gbps這樣的數據速率，而到火星的距離上的數據傳輸速率只能維持在幾十到幾百kbps，到了海王星和冥王星的距離上，只能實現1bps的通信速率。由于目前微波頻段的通信天線已經十分巨大，并且在深空探測中探測器供電受限很難提高發射機的功率，因此以現有的微波通信技術基礎上已經很難再提高深空探測的通信速率。

在通信技術中提高通信信號的工作載頻能最大限度的改善通信性能，相比于X波段（8GHz）和Ka波段（32GHz），光通信的頻率更高（約300000GHz），可以使通信系統的性能得到很大改善，這在目前的全球光纖通信中已經得到了證實，而在深空自由空間通信中，雖然存在一些不利的實際因素（如大氣損失、接收機靈敏度等），但是更高的載頻所帶來的同頻率平方關系的得益更大。圖1所示了光自由空間傳輸的波束擴散要小的多的情況。

圖1中左邊為Voyager航天器從土星用X波段發回地球的波束，發射天線直徑為3.7m，當波束到達地球時由于衍射使得信號擴散成1000地球直徑寬的面積。右圖為從10cm口徑光學望遠鏡發回地球的光波波束，假定光波長為1μm（頻率300THz），那么到地球的光點尺寸僅一個地球直徑寬。這表明水平和垂直方向上接收能量集中度高1000倍，功率密度提高106倍，并且這還是航天器用小得多的發射天線實現的（光學天線0.1m，X波段天線3.7m）。這種行對X波段的波長平方增益約為90dB，實際中考慮光通信的量子效應和實施問題，預計當前實際增益限制到約60dB。

深空激光通信相比于微波通信，可以以更小的尺寸、更輕的重量、更低的功耗實現高速率通信;相比于太赫茲通信技術，激光通信技術中應用的各個單元更加成熟可靠。

2 國內外研究現狀調研

目前，美國、日本和歐洲多國在空間激光通信鏈路理論研究和試驗系統研制關鍵技術方面已經獲得重大突破，正在加緊進行空間光通信工程化系統的研制工作。最近，美國NASA已經在月球大氣塵埃環境探測器（LADEE）上進行了月地激光通信，獲得的下行鏈路數據傳輸速率可達620Mbps，上行鏈路數據傳輸速率可達20Mbps，而整個星上通信子系統的重量約為43kg，總功耗約為148W。由NASA的月地激光通信驗證試驗可以看出目前深空激光通信方面的相關技術已經逐漸成熟。

3 研究內容

要進行月地激光通信演示系統研究，目標是建立月球與地球行星距離的激光通信，利用脈沖激光束完成地月之間的雙向數據傳輸，設計的數據傳輸率是幾十到幾百Mbps，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30cm的天線，雪崩光電二極管（APD）接收，發射采用由半導體激光器和EDFA組合而成的主激光器-功率放大器結構提高發射功率，采用脈沖相位調制（PPM）。波束非常窄的激光需要在移動狀態下利用ATP子系統準確地發送到地面站。來消除航天器微小的擺動，這也是遠瞄準和跟蹤系統所要求應對的挑戰之一。

地面終端采用的天線由一個發射和接收望遠鏡陣列和控制器組成，控制器用于調整和保持望遠鏡能指向彼此。一個超導的，冷卻到3開氏度的納米線探測器能實現高靈敏度探測。整個鏈路的通信波長采用1060nm可結合光纖技術的激光波長。主要研究內容有：（1）空間激光通信鏈路特性分析;（2）空天背景光特性分析;（3）大氣、云層信道特性分析;（4）動態高精度跟蹤、捕獲、瞄準系統（APT）研究;（5）空間激光通信工作流程研究;（6）空間激光通信系統星上發射、接收單元光機結構設計;（7）通信發射單元光放大技術研究;（8）通信發射單元調制、編碼技術研究;（9）通信接收單元探測器研究。

由于其技術難度和經費需求巨大，故難以在短期內投入工程應用。但為給將來工程應用奠定堅實的基礎，目前應抓緊開展關鍵技術研究。需要開展研究的關鍵技術主要包括以下幾項[2]：（1）動態高精度跟蹤、捕獲、瞄準技術（APT）;（2）大口徑接收望遠鏡技術;（3）高功率高重頻激光器技術;（4）陣列望遠鏡技術;（5）強背景條件下微弱信號探測技術;（6）高速數據編碼和解碼技術。

4 結語

深空光通信和深空激光測控技術是極具潛力的新的深空測控體制。結合我國小行星探測任務，空間激光通信的發展為今后深空探測任務中高速數據鏈的建設提供了有效的解決途徑。系統研究與關鍵技術和器件的研究會繼續深入下去，航天器攜帶的激光終端會越來越小，發射功率會越來越大，對準精度會越來越高，穩定性會越來越好，通信速率會越來越高，同時地面站的捕獲、瞄準、跟蹤與發射接收能力也會大大提高，整體通信系統的能力會越來越好，最終會向實際的地面站和自由空間的實用系統進行轉化，并投入到未來的實際深空探測任務中去[3]。

參考文獻

[1] 朱恩涌，孫國江，果琳麗，等.我國小行星探測發展思路及關鍵技術探討[J].航天器工程，2012，21（03）：96-100.

[2] 于志堅.深空測控通信系統[M].國防工業出版社，2009.

[3] 周賢偉，尹志忠等.現代通信高技術叢書：深空通信[M].國防工業出版社，2009.