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隨著空間通信技術(shù)的發(fā)展，大量空間探測(cè)數(shù)據(jù)與地面間的穩(wěn)定快速通信變?yōu)榭赡?，?0 G/s 的光通信已經(jīng)實(shí)用化;采用鉺摻雜光纖放大器( Erbium-doped Fiber Amplifier，EDFA) 等光放大技術(shù)還可實(shí)現(xiàn)更高傳輸速率；地面百兆級(jí)別通信系統(tǒng)已經(jīng)商業(yè)化；5.65G/s的空間激光通信系統(tǒng)已經(jīng)演示驗(yàn)證成功。因空間激光通信具有帶寬大數(shù)據(jù)傳輸速率高、天線尺寸小、抗干擾保密性好等優(yōu)點(diǎn)，許多技術(shù)強(qiáng)國和某些組織一直在投入大量的人力、財(cái)力、物力對(duì)其進(jìn)行深入研究，比如美國、日本，尤其是歐空局（ESA）。激光通信系統(tǒng)具有通信速率高、傳輸穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、終端機(jī)體積小、質(zhì)量輕和功耗小等性能與規(guī)格優(yōu)勢(shì)。在軍事信息傳輸、商用保密信息傳輸、以及空間信息組網(wǎng)等領(lǐng)域發(fā)展前景廣闊。歐美及日本等國家均投入大量人力財(cái)力進(jìn)行空間激光通信研發(fā)，且已經(jīng)取得了豐碩的成果，本文總結(jié)了部分具有重大意義的產(chǎn)品并歸納了涉及的關(guān)鍵技術(shù)及今后發(fā)展趨勢(shì)。

空間激光通信是利用激光的短波長(zhǎng)、高亮度以及強(qiáng)定向性的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N方法，相比于目前廣泛采用的射頻通信方式具有明顯的優(yōu)勢(shì)。美國、歐洲和日本等國均投入了大量人力、物力、財(cái)力進(jìn)行研發(fā)?？偟膩碚f，它具有以下三方面的優(yōu)點(diǎn)：

首先，空間激光通信容量巨大。載波頻率范圍為190～560THz，遠(yuǎn)高于微波量級(jí)，可實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，單通道就可提供高達(dá)Gbps以上的數(shù)據(jù)傳輸率，遠(yuǎn)大于目前微波通信百M(fèi)bps量級(jí)的數(shù)據(jù)傳輸率，通過波分復(fù)用技術(shù)，未來甚至有望達(dá)到100Gbps的量級(jí)。目前，星際通信中傳輸?shù)拇罅扛咔鍒D像以及視頻等信息，一直受制于通信容量能力的限制?，F(xiàn)有的SAR數(shù)據(jù)的傳輸速率也差強(qiáng)人意。而空間激光通信正好解決了這一難題，為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸提供了有力保障。其次，空間激光通信系統(tǒng)體積小且質(zhì)量輕。空間激光通信系統(tǒng)能量利用率高低，所以發(fā)射器和供電系統(tǒng)質(zhì)量可以降低，且激光本身波長(zhǎng)很短，發(fā)射器和接收器的口徑均可以減少，因此對(duì)載荷質(zhì)量與尺寸要求較高的平臺(tái)優(yōu)勢(shì)明顯。最后，該類系統(tǒng)保密性與抗干擾性強(qiáng)。因?yàn)榧す馐l(fā)射的定向波束發(fā)散角很小，通常為豪弧度量級(jí)，波段遠(yuǎn)離電磁波譜，其方向性和單色性都保證了它具有很強(qiáng)的抗干擾能力，特別適合在戰(zhàn)場(chǎng)等特殊環(huán)境下使用，且同時(shí)保證數(shù)據(jù)傳輸通暢。

在激光光通信領(lǐng)域，歐洲無疑是一個(gè)長(zhǎng)期的領(lǐng)跑者，在過去幾十年的科研與實(shí)踐中，從首次世界低軌衛(wèi)星相干激光通信到大名鼎鼎的EDRS計(jì)劃，它始終引領(lǐng)著行業(yè)的發(fā)展。ESA早在30年前實(shí)行的SILEX計(jì)劃就取得了巨大的成功，以其數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星ARTEMIS為例，它的接收速率在當(dāng)時(shí)就達(dá)到了50 Mbps，波長(zhǎng)為847 nm，系統(tǒng)調(diào)制到 Ka 波段后將數(shù)據(jù)成功發(fā)送至位于比利時(shí)的地面站。德國研發(fā)的TerraSAR-LCTSX終端也是一個(gè)里程碑式的產(chǎn)品，該系統(tǒng)采用相干探測(cè)技術(shù)，在大氣信道中體現(xiàn)出了良好的通信效果。德國TerraSAR-X衛(wèi)星于2007年6月發(fā)射。2008年，TerraSAR-X衛(wèi)星與美國NFIRE衛(wèi)星在6000 km的距離下成功實(shí)現(xiàn)了激光數(shù)據(jù)傳輸，雙向通信速度達(dá)到了5.6Gbit/s。

最為知名的系統(tǒng)要數(shù)EDRS計(jì)劃。ESA 提出的EDRS計(jì)劃(European Data Relay System)，旨在利用GEO衛(wèi)星作為中繼，在LEO衛(wèi)星和地面站之間建立光學(xué)鏈路。該計(jì)劃沿襲了德國LCT終端機(jī)的相干激光通信技術(shù)，并且在該終端通信邏輯的基礎(chǔ)上采取了多種新措施以保證在超遠(yuǎn)距離和復(fù)雜空間環(huán)境下的通信質(zhì)量。該系統(tǒng)的鏈路類型為L(zhǎng)EO-GEO-地,可為無人機(jī)，地面站及LEO衛(wèi)星提供數(shù)據(jù)中繼服務(wù)。

ESA于2016年1月發(fā)射了EDRS- A衛(wèi)星，五個(gè)月后，ESA發(fā)布了首張哨兵1號(hào)衛(wèi)星圖像，該衛(wèi)星飛行速度達(dá)28000km/h，激光通信終端以600Mb/s的速率向EDRS-A衛(wèi)星發(fā)送了圖像。EDRS-A地球同步衛(wèi)星定位在赤道9°E，通過激光及微波與LEO衛(wèi)星聯(lián)通。LEO衛(wèi)星與EDRS-A之間激光通信速率為Ka波段1.8Gb/s，工作波長(zhǎng)為1,064nm，作用距離為45000～75,000km，終端天線口徑135mm，質(zhì)量53kg，功率180W，終端機(jī)尺寸60cm×60cm×74cm。

ESA于2019年8月7日發(fā)射了EDRS-C衛(wèi)星，EDRS-C衛(wèi)星定位于歐洲上空東經(jīng)31度地球同步軌道，是歐洲“太空數(shù)據(jù)高速公路”系統(tǒng)的第2顆衛(wèi)星。該系統(tǒng)是基于激光通信技術(shù)的太空網(wǎng)絡(luò)，由地球同步軌道衛(wèi)星組成，可提供速度達(dá)1.8Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。

2019年2月，歐洲空客公司與日本天空完美日星公司（SKY Perfect JSAT）簽訂EDRS-D節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)準(zhǔn)備合作協(xié)議。EDRS-D是歐洲“空間數(shù)據(jù)高速公路”（Space Data Highway）系統(tǒng)的第三個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，計(jì)劃于2025年前發(fā)射并提供服務(wù)，屆時(shí)將覆蓋整個(gè)亞太地區(qū)。

縱觀歐洲在激光通信領(lǐng)域的發(fā)展史，不難看出不管是第一代終端機(jī)SILEX系統(tǒng)還是現(xiàn)在研發(fā)的EDRS系列產(chǎn)品，無一不引領(lǐng)同時(shí)期空間激光通信的發(fā)展，并從純粹科學(xué)研究慢慢邁進(jìn)商業(yè)領(lǐng)域，在今后的一段時(shí)間內(nèi)，ESA必將繼續(xù)引領(lǐng)發(fā)展潮流，保持領(lǐng)先地位。

美國從上世紀(jì)70年代開始了以NASA為主導(dǎo)的空間激光通信研究。其他研究機(jī)構(gòu)還有美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)、麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室(MIT)和加州理工大學(xué)噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室(JPL)。1994年研發(fā)的激光通信演示系統(tǒng)(OCD)是當(dāng)時(shí)先進(jìn)技術(shù)的集大成系統(tǒng)，終端采用了直徑為10cm的光學(xué)天線，數(shù)據(jù)率可達(dá)250Mbps，通信波長(zhǎng)為800nm。后來JPL在OCD結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，開發(fā)出OCD的后續(xù)型號(hào)，并在2000年進(jìn)行了距離45km的地面光學(xué)鏈路實(shí)驗(yàn)。

2013年10月美國開啟了月球激光通信演示試驗(yàn)(lunar laser communications Demonstration，LLCD），該系統(tǒng)由1個(gè)月球激光通信星載終端(Lunar Lasercom Space Terminal，LLST)，3個(gè)月球激光通信地面通信終端(Lunar Lasercom Ground Terminal，LLGT) ，1個(gè)月球激光通信操作中心(Lunar LasercomOptical Center，LLOC) 組成，如圖2所示。

在試驗(yàn)期間，從月球軌道到地面站的下行數(shù)據(jù)傳輸速率最大為622Mb/s，從地面上的上行速度最大為20Mb/s，通信距離可達(dá)近400,000km，工作波段為1,550nm，發(fā)射光功率為0.5W，光束發(fā)散角約15μrad，往返飛行時(shí)間連續(xù)測(cè)量誤差小于200psec。光學(xué)天線口徑，發(fā)射面為4×150mm，接受面為4×400mm。激光終端質(zhì)量為30.7kg，功率90W。

為提升激光通信能力，美國開展了激光通信中繼演示驗(yàn)證（Laser Communications Relay Demonstration, LCRD），成為了繼LLCD計(jì)劃后的下一個(gè)任務(wù)。

LCRD衛(wèi)星包含2路激光通信系統(tǒng)和1個(gè)超寬帶微波數(shù)傳系統(tǒng)。地面站與衛(wèi)星上的LCRD終端之間的設(shè)計(jì)通信速率達(dá)1.244Gbps，從國際空間站到衛(wèi)星的上行數(shù)據(jù)速率達(dá)32Mbps。

LLCD項(xiàng)目的成功為NASA開展深空激光通信增加了信心。2017年末，由加州理工大學(xué)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室主導(dǎo)的深空激光通信（Deep Space optical communication，DSOC）項(xiàng)目進(jìn)入關(guān)鍵研發(fā)，該系統(tǒng)于2018-2019年完成地面測(cè)試，并計(jì)劃于2023年發(fā)射，該系統(tǒng)是對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率、系統(tǒng)質(zhì)量、體積與功耗及其他性能指標(biāo)的一次新提升。屆時(shí)，它將以至少250Mbps的速率從6.3×108km外的星體傳回?cái)?shù)據(jù)，終端機(jī)設(shè)計(jì)質(zhì)量28kg，功率75W。研制中的地面光學(xué)天線口徑采用了超大的12m。相比于LLCD系統(tǒng)，DSOC項(xiàng)目將是一個(gè)大的飛躍，傳輸距離擴(kuò)大了多個(gè)數(shù)量級(jí)，地面發(fā)射功率、終端光子計(jì)數(shù)探測(cè)器陣列、波束指向精度、高效率激光發(fā)射機(jī)以及抗擾動(dòng)隔離技術(shù)都進(jìn)行了大幅性能提升，無疑將成為新一代深空激光通信系統(tǒng)的領(lǐng)跑者。

日本在光通信的研究起步于1985年，雖然較晚于歐洲與美國，但其發(fā)展迅速，并積極同ESA等機(jī)構(gòu)開展合作，同樣也取得了驕人的成績(jī)。

ETS-VI衛(wèi)星是日本星地激光通信的首次試驗(yàn)，該項(xiàng)工作于1994年與NASA合作完成，激光通信速率達(dá)1.024Mb/s。日本另外一個(gè)影響力更為深遠(yuǎn)的光通信實(shí)驗(yàn)是“光學(xué)軌道間通信工程試驗(yàn)衛(wèi)星”(OICETS)系列實(shí)驗(yàn)。2005年OICETS衛(wèi)星與ARTEMIS衛(wèi)星的SILEX終端實(shí)現(xiàn)了上行2Mbps，下行50Mbps的數(shù)據(jù)通信速率，波段采用800nm,工作距離45,000km。

日本在空間激光通信終端小型化領(lǐng)域也取得了豐碩成績(jī)，如小型光通信終端( Small Optical TrAnsponder，SOTA)，通信距離為500-1,000km，質(zhì)量?jī)H為5.9kg。

日本數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星(JDRS)代表了最近的技術(shù)進(jìn)展，它由日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA）開發(fā)，采用Ka波段可達(dá)到1.8Gbps通信速率。該任務(wù)將包括GEO光學(xué)終端和LEO光學(xué)終端。后者搭載于JAXA的光學(xué)觀測(cè)衛(wèi)星。

計(jì)劃工作時(shí)限為10年，與此同時(shí)，該中繼還將服務(wù)于其他LEO航天器通信。從LEO衛(wèi)星（高度200-1,000km）通過數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星返回地面站的通信速率為1.8Gbps，波長(zhǎng)1,540nm，其反向速率為50Mbps，波長(zhǎng)1560nm。光學(xué)天線口徑LEO為10cm，GEO為15cm。

在經(jīng)過了之前的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)積累后，日本開啟的下一代空間激光通信技術(shù)研究，先進(jìn)激光儀器高速通信項(xiàng)目( High speed Communication with Advanced Laser Instrument，HICALI)。該系統(tǒng)將采用波分復(fù)用(WDM)技術(shù)、可調(diào)諧激光器組件(ITLAs)和高速數(shù)字處理器件，從而實(shí)現(xiàn)光學(xué)地面站到衛(wèi)星的通信，設(shè)計(jì)目標(biāo)要達(dá)到10Gbps的通信速率，通信波長(zhǎng)1,550nm，該終端計(jì)劃于2021發(fā)射。

空間激光通信，數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x很長(zhǎng)，且在空間傳播中衰減較大，因此激光發(fā)射器的輸出功率必須要要足夠大。光源通常使用半導(dǎo)體泵浦固體激光器或半導(dǎo)體激光器。為了保數(shù)據(jù)傳輸不受干擾，需要光源連續(xù)穩(wěn)定。而要保證通信質(zhì)量好、就必須保證調(diào)制頻率較高，發(fā)散角小。另外，為了獲得高速穩(wěn)定的星際傳輸，高功率放大器也是一種途徑。目前主流的激光系統(tǒng)采用的是調(diào)相調(diào)制，采用BPSK和DPSK等先進(jìn)技術(shù)，信噪比可明顯提升。

高精度跟蹤可應(yīng)對(duì)小范圍、高伺服帶寬應(yīng)用。是對(duì)跟蹤殘差的一種有效補(bǔ)救措施。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)精確跟蹤對(duì)通信質(zhì)量要求極高，激光通信中的瞄準(zhǔn)跟蹤正好符合了這一要求。跟蹤過程分為粗跟蹤和精確跟蹤，粗跟蹤的帶寬很小、精跟蹤的帶寬很大，捕獲系統(tǒng)分辨率提升、加入電子學(xué)伺服控制系統(tǒng)和數(shù)字控制技術(shù)就能提高系統(tǒng)的魯棒性。

收發(fā)天線是空間激光通信系統(tǒng)必不可少的元件。可靠且增益高的收發(fā)天線能滿足雙向互逆通信，其構(gòu)成光學(xué)組件需滿足完全隔離性。元器件是否具有高可靠性，穩(wěn)定性與高性能直接決定系統(tǒng)的通信能力，如激光器須具備高功率、高速率、窄線寬等特點(diǎn)。對(duì)相干光源、CCD等器件的環(huán)境適應(yīng)性也有很高要求。要能在空間粒子輻射、大溫差環(huán)境下持續(xù)、穩(wěn)定性的工作。

近年來，激光通信速率不斷提高，目前已能實(shí)現(xiàn)10Gbit/s，未來有望達(dá)到100Gbit/s。目前1,550nm波段的激光通信可很好的利用該波段激光發(fā)射、接收件的高帶寬優(yōu)勢(shì)，將成熟的光纖技術(shù)應(yīng)用于空間通信，實(shí)現(xiàn)速率的提升。從國外終端的發(fā)展歷程來看，在經(jīng)歷了SILEX和OICETS等第一代終端之后，各國均積極研制第二代高性能終端，許多輕量化、小型化和高碼率二代終端機(jī)已經(jīng)問世。終端性能由第一代的(50 Mb/s)/150kg發(fā)展到第二代的(5.6 Gb/s)/30 kg。

隨著衛(wèi)星向小型化不斷發(fā)展，搭載于其上的通信終端必然也要隨之降低自身體積質(zhì)量，微型化是一個(gè)必然的發(fā)展趨勢(shì)，伴隨著隨著微鈉技術(shù)的進(jìn)展，通信終端小型化也從理論慢慢走向的工程實(shí)踐。各國在終端小型化方面也開展了一系列嘗試：日本NICT于2018年發(fā)射了超小型激光通信終端VSOTA，并將其運(yùn)行于太陽同步軌道，其質(zhì)量小于1kg，功耗小于10W，歐洲也于2018年發(fā)射了OPTEL-u微型激光終端，并將其運(yùn)行于LEO，其質(zhì)量為8kg，功耗為45W。

人們對(duì)深空的探索一直未曾中斷，正是由于激光通信能滿足數(shù)據(jù)量大、速率高的傳輸性能好的要求，美歐等國家均以激光通信為手段對(duì)深層太空進(jìn)行過研究。NASA和ESA都將深空激光通信列入規(guī)劃。2020年歐洲宇航局的AIM計(jì)劃將搭載OPTEL-D激光通信終端進(jìn)行超遠(yuǎn)距離進(jìn)行激光通信試驗(yàn)，2023年美國宇航局將采用深空激光通信終端DSOC從火星向地球發(fā)起激光通信。

目前的空間激光通信均采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式，如果將數(shù)據(jù)中繼與空間組網(wǎng)，激光通信將發(fā)揮不可估量的優(yōu)勢(shì)。目前1,550nm波段的空間激光通信系統(tǒng)潛力最大。該波長(zhǎng)可采用波分復(fù)用及EDFA技術(shù)，便于構(gòu)建全光網(wǎng)絡(luò)。用多個(gè)不同軌道的衛(wèi)星，地面站和近地飛行器組件空間光通信網(wǎng)絡(luò)，可顯著提高激光通信的覆蓋范圍。美國的轉(zhuǎn)型衛(wèi)星通信計(jì)劃(TSAT)就是一個(gè)空間組網(wǎng)激光通信的探索，其目的就是要實(shí)現(xiàn)空間激光組網(wǎng)，從微波通信轉(zhuǎn)型至激光通信。

在空間光通信領(lǐng)域，歐洲、日本和美國經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)完成了兩代激光通信終端機(jī)的研發(fā)，并仍在進(jìn)行多種在軌光通信實(shí)驗(yàn)，以期待向下一代終端進(jìn)展?？臻g激光通信技術(shù)將以其獨(dú)具的高通信速率、強(qiáng)抗干擾能力、高跟蹤精度與穩(wěn)定性引導(dǎo)一場(chǎng)新的通信革命。今后空間光通信會(huì)朝著高通信速率、終端小型與輕量化、深空通信與通信網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。