国外空间激光通信技术的发展现状与趋势*

王 燕，陈培永，宋义伟，付 森，牛俊坡

(1.上海航天信息研究所·上海·201109；2. 上海无线电设备研究所·上海·201109；3.上海卫星工程研究所·上海·201109)

0 引 言

随着空间技术的不断发展，空间激光通信在全球通信中的作用日渐明显。空间激光通信，是利用激光单色性好、方向性强及功率密度大等良好的光束特性，实现以激光光波为载体、在空间(包括近地的大气空间、临近空间、LEO/GEO、星际空间、深空等)信道之间进行信息交换的通信方式。近年来，随着科学任务高速数据下行的需求越来越大，射频通信已难以满足高速数据的通信需求。激光通信具有传输速率更高、抗干扰性更强、体积更小等优点。NASA早在上世纪80年代初期就提出了将激光通信应用于深空探测的思想，并制定了一系列技术发展规划[1-2]。此后，欧洲、日本等国家和地区在该领域开展了大量研究工作，在元器件的选择、发射/接收组件的设计、跟瞄策略和通信方式等方面取得了很好的研究成果。本文主要探讨了激光通信的技术特点，分析了各国激光通信技术的发展现状与战略规划，重点研究了国外主要的几项演示验证试验的情况。通过本文对国外激光通信技术的研究，期望对我国在该领域的技术发展起到一定的启示和借鉴作用。

1 激光通信的技术优势

空间激光通信是利用激光波长短、亮度高、高准直特性实现飞行器之间高速数据交换的一种新方法，是有别于当前被广泛采用的星间射频通信的一种新手段，它具有以下4个方面的优点：

数据传输率高，通信容量大。星间光通信的载波频率为1013～1015Hz，比微波通信高出几个数量级，单通道就可提供高达10Gbps量级以上的数据传输率，远大于目前微波通信百Mbps的数据传输率。通过波分复用，数据传输率可以达到数百Gbps以上。

较小的发射功率需求。由于光束发散角远小于微波通信的波束发散角，所以星间光通信的天线增益远远大于微波通信。

较小的收发射天线和系统结构。光通信的工作波长比微波通信工作波长小3～5个量级，其系统的质量和体积相对更小。

高保密性和抗干扰能力。与射频通信不同，激光通信采用了点对点的通信模式，因而其具有高保密、抗干扰性强、抗截获能力强的特点，在军事领域中起到了越来越重要的作用。尽管将激光通信应用于军事领域会受到一定的限制(大气、全天候、战场环境等)，但将激光通信和射频通信进行复合模式工作，已经成为未来军事通信的趋势。

表1给出了激光通信与微波通信的技术参数比对。

表1 微波通信与激光通信系统的比较Tab.1 Microwave Communication and Laser Communication Parameters Contrast

2 国外激光通信演示验证试验

2.1 深空激光通信

2.1.1 月球激光通信演示验证(LLCD)

2005年，NASA委托MIT林肯实验室开始进行月球激光通信演示验证试验(Lunar Laser Communication Demonstration, LLCD)的研制，首次尝试实现地基接收器与月球轨道器之间的高速激光通信。2013年，月球大气与尘埃环境探测器(Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer，LADEE)携带LLCD通信终端发射升空[3]，LADEE的激光通信试验如图1所示。

图1 LADEE的激光通信试验Fig.1 Laser Communication Demonstration on LADEE

2013年11月，试验取得了较大成功，星上终端捕获到了地面发射的信标光并成功进行了跟踪。之后，分别进行了下行622Mbit/s、上行20Mbit/s的通信试验，而且验证了在不同天气条件下的链路建立。试验发现，在薄云天气、小地平角、近太阳条件下，通信终端都成功地建立了激光链路，并且在上行20Mbit/s的试验中，首次实现了全程无误码的传输。这是人类历史上月地之间通信上行链路的最好成绩。相比目前微波通道仅为1～2kbit/s的上行数据率，其提高是巨大的。

(1)试验目标

• 验证地-月距离(约为38万km)下的激光通信技术；

• 利用激光信道实时传输月球探测器的高清图像数据。

(2)技术挑战

• 远距离(380000km)；

• 高数据率：上行：10～20Mbit/s(目前月-地间微波通道速率上行 1～10kbit/s)；下行：40～622Mbit/s；

• 验证激光穿透薄云的通信能力(Cloud Turbulence)；

• 验证地面站之间的切换技术；

• 验证小地平角通信能力(SEP)；

• 验证大地平角通信能力；

• 星上大数据量存储与转发能力(目前的星上转发通道为39Mbit/s)。

(3)方案设计[4-5]

LLCD包括：星上终端(Lunar Laser Communication Space Terminal, LLST )、地面终端(Lunar Laser Communication Ground Terminal, LLGT)，以及操作中心(Lunar Laser Communication Operation Center，LLOC)。

星上终端的总质量为32.8kg，功率为136.5W，由光学舱、电子舱和调制解调舱3部分组成，其主要技术指标如表2所示。

LADEE和激光通信终端如图2所示。

LLCD试验有3个地面接收系统，分别是MIT研制的LLGT(位于新墨西哥White Sands)、JPL设计的OCTL(位于加州)，以及ESA的LLOGS(位于西班牙Tenerife岛)，如图3所示。

表2 LLCD的指标参数Tab.2 LLCD Main Parameters

图2 LADEE和激光通信终端Fig.2 LADEE and Laser Communication Terminal

图3 NASA月-地激光通信地面站分布图(上图为MIT- LLGT，左下为NASA-OCTL，右下为SPAIN-OGS)Fig.3 NASA Lunar Laser Communication Ground Station (Above: MIT-LLGT, Low-left: NASA-OCTL, Low-right: SPAIN-OGS)

LLGT为LLCD的主要地面终端，如图4所示，这是一个移动型地面接收系统。其具有温控外壳，高约4.5m，总质量为7t，与目前的无线电通信地面天线相比，尺寸和质量减少了约75%。LLCD的目标之一是演示验证多孔径合成光信号收发技术。

图4 月球激光通信地面终端(LLGT)Fig.4 Lunar Laser Communication Ground Terminal (LLGT)

2.1.2 火星激光通信演示验证(MLCD)

NASA于2003年开始执行火星激光通信验证(MARS Laser Communication Demonstration，MLCD)项目，其目的是提供深空光学链路的早期经验[6]。该项目由NASA/哥达德航天飞行中心(GSFC)管理，其星上子系统由麻省理工学院(MIT)林肯实验室(LL)研制，而地面子系统则由JPL和MIT-LL共同研制。星上终端计划在火星通信轨道器(MTO)上进行飞行试验，该任务原定于2009年10月发射。MLCD项目于2004年10月成功完成了系统要求评审，又于2005年3-5月完成了星上终端与地面终端的初步设计评审。后来，由于NASA内部的计划变更，MLCD项目被中止。但是在MLCD项目进行期间，深空光学通信要求的定义和设计是非常先进的，该项目对来自空间的波束稳定化、在地面上的有效光子计算与日间操作等各项关键技术都进行了开发。

(1)试验目标

• 演示火-地下行光通信链路，在可行的条件下，数据率为10～100Mbit/s；

• 使用激光下行通信链路传输火星探测器的科学数据，验证数据转发通道；

• 演示地球到火星的上行链路，数据率至少为10kbit/s；

• 最后验证并收集在不同链路距离及不同天气情况下的光通信系统性能数据。

(2)技术挑战

• 超远距离地-火通信(0.2AU～2.7AU)；

• 高数据量需求：最大传输数据1.1Tbits/天(相当于NASA火星探测轨道器1天的存储数据量)；上行：100kbit/s～2Mbit/s；下行：0.7～260Mbit/s；

• 星上大数据量存储与转发能力(目前的星上转发通道为39Mbit/s)。

(3)方案设计

MLCD包括星上终端(MLST)和地面移动终端(LLGT)2部分[7]，MLCD链路示意图及激光通信终端布局如图5所示。MLCD的质量为38kg，平均功率不超过110W。下行链路的最大速率为260Mbit/s，上行链路的最大速率为2～292kbit/s，可抵抗20krad辐射。

图5 MLCD链路示意图及激光通信终端布局图Fig.5 MLCD Communication Link and Onboard Terminal

星上终端(MLST)由光学机构和电子控制机构组成。光学机构发射/接收口径为30cm；束散角为15μrad；下行发射功率为0.5W。MSLT光学发射天线采用主动隔振的结构设计，光学天线采用卡赛格伦镜头，由底座进行主动隔振。电子舱采用叠板结构，共由4部分组成：高速数据调制单元、模拟电路处理单元、数字电路处理单元、二次电源单元。MLST的构型如图6所示。

图6 MLST的构型Fig.6 The structure of MLST

地面终端包括2个地面站，一个为Hale望远镜，位于帕洛马山(美国加利福尼亚州西南部)，接收口径为5.08m (200英寸)；第2个是LDES望远镜，拥有2个转动机构，每个结构上安装了2个口径为0.8m的望远镜，通过光纤耦合形式进行光信号的发射和接收。MLCD地面接收望远镜结构和参数如图7、图8所示。

图7 MLCD地面接收望远镜结构Fig.7 MLCD Ground Receiver Telescope

图8 MLCD地面接收望远镜的多孔径接收Fig.8 MLCD Telescope Ground Receiver

2.2 星间激光通信

2.2.1 半导体星间链路试验(GEO-LEO)

半导体激光星间链路试验(Semiconductor laser Inter satellite Link Experiment，SILEX) 是世界上首个星间激光通信链路。SILEX系统的组成包括GEO 星上终端-ARTEMIS(ESA 2001)和LEO 星上终端-SPOT-4 (French 1998)，如图9所示。作为SILEX计划的重要组成部分，ARTEMIS搭载的激光通信终端成功同相距40000km的SPOT-4之间建立了激光链路，数据以50Mbit/s的速率从LEO发射到GEO。

图9 左图为SPOT-4上的星载终端，右图为SPOT-4卫星平台Fig.9 (Left)Laser Communication Terminal on SPOT-4, (Right)SPOT-4 in Space

SILEX需要面对的主要技术挑战是：建立激光通信终端空间应用；直接调制与检测自由空间激光通信；高数据率：上行 20Mbit/s，下行50Mbit/s。SILEX的主要技术指标如表3所示。

表3 SILEX通信链路的指标参数Tab.3 SILEX Link Parameters

2.2.2 ARTEMIS-OECETS (GEO-LEO)

2005年末， ARTEMIS又同JAXA光学通信工程试验卫星(Optical Inter-orbit Communication Engineering Test Satellite，OICETS)成功进行了自由空间轨道间的激光通信试验。星上搭载了由日本NEC东芝空间系统公司研制的通信终端“激光利用通信设备”(Laser Utilizing Communica-tions Equipment，LUCE)[8]。

(1)试验目的

• 验证大气信道对相干链路的影响；

• 分析星间和星地海量信息的传输体制；

• 验证零差BPSK相干通信技术的性能；

• 验证系统的指向和跟踪性能。

(2)方案设计

LUCE通信终端包含光学舱和电子舱2部分。光学舱包括1个安装在两轴驱动万向架上的望远镜，电子舱提供捕获、跟踪和瞄准的功能。光学天线如图10所示，由1个直径为26cm的中央馈源的卡赛格伦望远镜组成。其采用的通信方式为相干光通信，调制方式为BPSK方式，检测方式为零差相干检测。OICETS 通信链路的指标参数如表4所示，LUCE终端如图10所示。

表4 ARTEMIS-OICETS通信链路的指标参数Tab.4 ARTEMIS-OICETS Link Parameters

图10 OICETS卫星及其星上通信终端LUCEFig.10 Satellite and LUCE

2005年12月，ARTEMIS和OICETS进行了星间激光通信链路试验。本次试验不仅成功进行了激光通信试验，而且成功完成了JAXA和ESA之间的双向通信。2006年3月，LUCE终端与日本国家信息通信技术研究所地面光学站成功进行了双向光学通信实验。同年6月，LUCE终端与德宇航移动光学地面站(OGS)实现了光通信实验，在国际上首次实现了低轨卫星与光学地面站的激光通信试验，星间通信操作图如图11所示。本次试验计划的成功进一步推动了在星间通信及深空探测中采用光通信技术的可能。

图11 ARTEMIS-OICETS星间通信操作图Fig.11 ARTEMIS-OICETS inter-satellite Communication

2.2.3 中继激光通信演示验证(GEO-地面)[9]

继月-地激光通信试验(LLCD)后，NASA进行了激光通信中继演示卫星(Laser Relay Communication Demonstration，LRCD)项目。星上通信终端和卫星平台如图12所示。LCRD的主要任务是发射一颗携带激光通信终端的卫星到同步轨道，建立同步轨道与地面站之间的通信链路。此次项目的主要关键技术大部分延续了月-地激光通信技术。

图12 星上通信终端和卫星平台Fig.12 Laser Communication Terminal and Satellite

(1)试验目标

• 在GEO实现上行10M～20Mbit/s、下行2.88Gbit/s的传输能力；

• 验证深空激光通信关键技术。

(2)技术挑战

• 验证高轨及近地轨道通信终端对地面终端的捕获技术；

• 星上大数据量存储与转发能力；

• 验证调制解调及跟踪等技术；

• 验证DPSK技术及单光子计数等关键技术。

2.2.4 TerraSAR-NFIRE(LEO-LEO)

DLR资助的著名项目LCTSX于2002年11月启动，其目的是通过GEO与GEO、GEO与LEO及GEO与地面站之间的激光链路验证在自由空间实现相干通信的可靠性。用于星间激光通信的2个终端LCTs(Laser Communication Terminal)，分别于2007年4月23日搭载美国的LEO卫星NFIRE和于2007年6月14日搭载德国的LEO卫星TerraSAR-X发射升空，LCT系统如图13所示。LCTSX 星间激光通信试验的主要参数(LEO-LEO)如表5所示。随后，在2008年2月21日成功进行了国际上首次星间相干激光通信实验。

图13 安装在TerraSAR-X舱外的LCT系统Fig.13 LCT Terminal on TerraSAR-X

TerraSAR-XNFIRE发射时间2007-6-152007-4-24轨道高度/kmLEO,508LEO,350通信距离/km<6000<6000通信码速率/(Gbit/s)5.65.6终端质量/kg3535功耗/W120120天线口径/mm125125通信波长/nm10641064调制方式BPSKBPSK

之后，ESA为了推进星间激光通信的实用化，制定了欧洲数据中心卫星(European Data Relay Satellite，EDRS)计划：通过中继星与地面站之间的微波通信，将星间高速光通信与地面通信连接起来，形成一个混合式的通信网络，目的是利用星间的高速激光通信来提升整个通信网络的信息传输能力。

3 激光通信技术的发展趋势

3.1 激光通信技术由技术验证向工程应用阶段发展

激光通信技术正在由技术验证阶段、技术定型阶段向工程应用阶段方向发展。其技术发展方向如下：

• 技术验证阶段：演示验证星上终端技术、星地对接技术;

• 技术定型阶段：建立技术标准化，包括：与平台的数据交换技术；瞄准、捕获、跟踪(Pointing，Acquiring and Tracking，PAT)技术；数据编码技术(OOK/PPM、BPSK、DPSK)；高速光信号调制和解调技术等；新型的轻量化终端结构技术;

• 工程应用阶段：光学终端研制、光学终端飞行验证。

3.2 通信速率由低码速率向高码速率方向发展

通信速率不断提高，已经从最初的2Mbit/s发展到当前的10Gbit/s，未来还将发展到百吉量级100Gbit/s，逐渐发挥出了空间激光通信的技术优势。早期激光通信主要集中在800nm光波波段，该波段各种技术相对成熟、器件性能可靠、成本较低，但是其主要的缺点是在该波段上应用的激光器及Si-APD探测器的带宽有限。因此，其通信码率较低，一般小于1Gbit/s。目前，采用1550nm波段进行激光通信，可以充分利用1550nm波段激光发射、接收组件高带宽的特点，并将地面光纤成熟技术直接应用到通信上，实现通信码率的提高。

3.3 激光通信与激光测距复合使用

由于激光测距与激光通信在系统组成、信号捕获、处理方式等方面，具有一定的相似性，因此，可以把它们复合到一起，实现一个功能整体，用于完成测距与通信功能。2005年John J．Degnan提出了SLR2000卫星激光测距站的改造方案，将激光测距和激光通信结合起来，形成了复合系统的最初构想。此后，俄罗斯完成了在轨通信/测距复合实验。2013年，美国进行的月地激光通信试验就带有测距功能。欧洲LISA (Laser Interferometer Space Antenna)通过距离精密测量反演地球重力波场，利用相干激光外差完成超远距离下精密距离测量，同时兼顾了通信功能。

3.4 激光通信终端将朝着小型化、轻量化方向发展

随着微纳卫星的迅猛发展，激光通信终端也将朝着小型化和轻量化方向发展。通过缩小终端口径、采用轻质材料、提升加工精度等新型技术，使得终端越来越小型化和轻量化。各国在终端小型化方面也开展了一系列尝试：日本NICT于2018年发射了超小型激光通信终端VSOTA，并将其运行于太阳同步轨道，其质量小于1kg，功耗小于10W；欧洲也于2018年发射了OPTEL-u微型激光终端，并将其运行于LEO，其质量为8kg，功耗为45W[10]。上述通信终端的优点是体积小、质量轻、低成本，能够满足未来微纳卫星和立方星的发展需求。

3.5 激光通信成为深空探测活动的主要通信方式

随着对科学任务返回速率要求的不断提高，自由空间光学通信对于满足来自深空的高数据速率链路具有很大的潜力，未来深空领域将逐步应用光学通信。NASA和ESA将深空激光通信列入研究规划：2020年，欧洲计划执行AIM计划，搭载激光通信终端OPTEL-D，用7500万千米超远距离进行激光通信试验；2023年，美国计划发射火星轨道器的深空激光通信终端DSOC，在5500万km处进行火星对地球的深空激光通信[10]。深空激光通信可实现超远距离科学信息的传输，能满足科学载荷大容量、高速率的传输要求。

4 结 论

当前，无线电通信的频率资源和传输速率已经很难满足未来大容量的科学任务的数据传输要求。激光通信具有传输速率更高、抗干扰性更强、体积更小等特点，能够突破传统射频通信传输速率低的瓶颈。本文通过调研国外已开展的深空激光通信和星间激光通信演示验证试验的情况，分析了当前激光通信技术的发展现状和技术难点。可以预测，在未来的星间、星地，以及面向深空的空间通信主干网中，大容量的数据传输通道一定会由光通信技术来实现，激光通信将成为未来发展趋势。我国也应充分借鉴国外的发展经验，尽快建立起将微波通信和激光通信相结合的空间信息网络。