國外空間激光通信最新進展研究

1 概述

空間激光通信（Space Laser Communication）是指利用激光束作為載波在空間直接進行語音、數據、圖像信息雙向傳送的一種技術，又稱為「自由空間激光通信」（Free Space Optical Communication，FSO）。隨著空間技術及感測技術，如高分相機、合成孔徑雷達等技術的發展，衛星及各種航天器所需的信息傳輸量呈指數級增長，目前衛星通信所採用的微波通信為主的通信手段已難以滿足通信容量需求。空間激光通信技術應運而生，其主要優勢體現在以下幾個方面：

空間激光通信具有傳輸量大、抗干擾能力強、安全保密性強等優勢（視頻來自NASA）

（1）空間激光通信傳輸量大

空間激光通信的載波頻率範圍為190THz～560THz，比S、X、Ka波段高4～5個數量級，更容易實現大容量數據的傳輸。目前國內外星間光通信試驗鏈路的傳輸速率均已達到Gbps量級，通過波分復用技術，將來可達到幾十Gbps上百Gbps量級。目前衛星所需的高帶寬儀器，如超光譜成像儀、合成孔徑雷達（SAR）等，以及在將來的星際載人航天中需要實現實時的視頻通信，需要進行大量高解析度的高清圖像、視頻信息傳輸。以美國NASA進行的火星全球勘測（MGS）任務為例，該任務已傳回數百Tbit的數據，在整個主任務階段，受到通信容量能力的限制，該任務僅能高解析度繪製火星表面的很少一部分。現有的合成孔徑雷達數據的實時傳輸容量需求也達數Gbps。受空間輻照的影響，目前星上數據存儲及處理能力十分受限，而空間激光通信可將空間應用中所獲得的大容量高清圖像信息、測控數據實時回傳，有利於減輕星上數據存儲及處理的設計壓力，下表為火星-地各種傳輸手段的傳輸速率比較。

火星-地各種傳輸手段的傳輸速率比較

（2）空間激光通信系統終端體積小、質量輕、功耗低（SwaP指標優異）

空間激光通信系統整機體積小、質量輕、功耗低，這非常適合空間應用對有效載荷小型化、輕量化、低功耗的要求，有助於減輕衛星總體的設計壓力。以美國開展LLCD月球-地激光通信終端為例，其質量比月球勘測軌道飛行器LRO上的無線電通信載荷（質量為61kg，功率為120W）輕一半（只有30.7kg），功率低25%（只有90W）。

空間激光通信系統終端體積小、質量輕、功耗低

（3）空間激光通信抗干擾能力強、安全保密性強

太空環境的主要特徵之一是充滿了高能量的混合空間輻射場，空間電磁環境複雜，對通信波束可能產生干擾。空間激光通信採用激光為載波，激光光束髮散角僅幾十μrad量級，方向性極強，因此抗電磁干擾能力強、安全保密性強，同時和鄰近衛星間的通信干擾也幾乎可以忽略不計。正是由於空間激光通信在航空航天、科學技術、國防及國民經濟等領域具有潛在的巨大吸引力，因此美國、歐空局（ESA）各成員國、日本等已經投入了大量的人力、物力進行相關技術的研究及在軌試驗，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。

2 國外研究概況

國外近幾年開展了大量空間激光通信試驗，包括美國的LLCD項目月球-地、OPALS空間站-地、歐盟的EDRS項目、日本的SOTA項目等均引起了大量的關注。在這些項目成功進行在軌試驗及初步應用的基礎上，美、歐、日更是制定了下一步的空間激光通信計劃，希望加快其工程化實用化水平。

（1）美國

美國早期開展了激光通信演示系統（OCD）、國際軌道空間站光通信（OCDHRLF）、STRV-2實驗、同步軌道輕量技術實驗（GEOLITE）、火星激光通信演示系統（MLCD）、轉型衛星通信系統（TSAT）等一系列的項目研究，為後期技術發展提供了良好的技術基礎。

LLCD於2013年9月升空，10月成功開展了演示（視頻來自NASA）

2013年10月，月球激光通信演示驗證（LLCD）。美國於2013年10月成功開展了「月球激光通信演示驗證」（LLCD，Lunar Laser Communication Demonstration），從月球軌道與地球多個地面站分別進行了激光雙向通信試驗。最大下行速率622Mbps，上行速率20Mbps，最遠通信距離接近40萬km。LLCD進行了30天共16小時的系統鏈路試驗時間，是一項短期任務，主要目的是驗證關鍵技術和長距離激光通信的可行性。LLCD激光通信鏈路工作在1550nm波段，支持4PPM上行鏈路的10~20Mbps，16PPM下行鏈路可選速率39~622Mbps，上行鏈路信號採集矩形波在1kHz可調製，能夠連續測量往返飛行時間誤差小於200psec。月球激光通信空間終端為雙發10cm反射光學天線，光束髮散角約15μrad，發射光功率為0.5W。地面接收天線採用了4發4收光學系統設計，每路發射孔徑為15cm，接收孔徑為40cm，同時採用了超導納米線單光子探測器進行高靈敏度探測，探測靈敏度達到-82.9dBm。LLCD任務證明了：大容量通信能力，通信距離40萬km時通信速率可達622Mbps；優異的SWaP性能，質量比LRO（質量為61kg，功率為120W）輕一半（只有30.7kg），功率低25%（只有90W）。

LLCD計劃示意圖

2014年6月，激光通信科學光學載荷試驗（OPALS）。2014年6月，美國又成功進行了「激光通信科學光學載荷」（OPALS，Optical PAyload for Lasercomm Science）試驗，利用激光束把一段高清視頻從國際空間站傳送回地面接收站，下行速率50Mbps，傳輸距離約400km。

OPALS結構示意圖與實物圖

2015年10月，光通信和感測演示項目（OCSD）。OCSD（Optical Communications and Sensor Demonstration）項目隸屬於美國宇航局的小飛船技術項目。研究目的是在微小衛星上搭載激光通信終端實現衛星間及衛星對地的激光通信，沒有掃描捕獲跟蹤系統，僅依靠衛星自身的姿態控制實現對準跟蹤，極大降低了終端設備的體積、重量及功耗。2015年10月發射了OCSD-A衛星，該衛星是1.5U的立方體衛星，下行通信速率5~100Mbps，上行通信速率10kbps。該試驗衛星因姿態控制系統發生問題，導致無法對星上的激光通信載荷進行測試，但這一思路仍然是空間激光通信的重要發展趨勢，美國及日本都在繼續跟進研究。

OCSD項目計劃

2017年，「激光通信中繼演示驗證」（LCRD）。美國計劃於2017年開展「激光通信中繼演示驗證」（LCRD，Laser Communications Relay Demonstration），將演示地球同步軌道衛星與地面接收站的高速雙向通信，並利用GEO衛星完成地面兩個接收站間的激光中繼通信。項目將為未來深空探測通信網路和下一代TDRS（Next Generation Tracking and Data Relay Satellite）網路建設時如何高效利用空間激光通信提供依據；LCRD將在LLCD基礎上演示驗證編碼、調製、激光鏈路性能、DTN網路協議、組網能力等。LCRD衛星激光終端將裝載在商用衛星SSL（Space Systems Loral）上，同時對MIT和JPL的兩個地面光學站進行改建，主要工作是增加AO自適應光學系統，進一步提高星地激光通信克服大氣湍流的能力，同時增加DPSK單元，用於DPSK通信試驗。其主要技術指標為：深空激光通信622Mbps（PPM），GEO—地球中繼通1.25Gbps/2.88Gbps（DPSK）。

LCRD應用示意圖

2017年，深空光通信計劃（DSOC）。LLCD的成功為NASA JPL進行的NASA前期深空光通信研究工作注入了新動力。NASA空間技術任務理事會（STMD）和SMD已與空間通信與導航（SCaN，Space Communications and Navigation）項目密切合作，計劃在2017年末使深空光通信（DSOC，Deep Space Optical Communications）項目達到技術成熟度6級，以便在即將開始的「2020探索」任務中有所作為。DSOC用於從近地小行星開始向外到木星的數據傳輸，以250Mbps以上的速率從火星回傳數據，通信距離達6.3億km，質量為28kg，功率76W。與LLCD相比，DSOC還需突破更多的關鍵技術，如l000倍以上的鏈路傳輸距離、千瓦級地面發射功率、宇宙飛船終端光子計數探測器陣列、藉助慣性穩定的波束指向、下行光束較大提前瞄準角等。DSOC正在研究開發12m口徑的光學天線，並計劃在帕洛瑪山上使用5m的海爾光學天線從火星以100Mbps以上的速率回傳數據。同時，SCaN計劃也支持NASA JPL最近的研究，準備在火星2020探測器上安裝小型激光通信終端，其重量小於6kg，功耗低於50W，發射孔徑5cm，探測器與火星軌道飛行器之間的通信速率為20Mbps，與地球地面站之間的通信速率為200kbps。

深空光通信計劃（DSOC）

商用公司開始涉足激光通信網路建設。美國Laser Light、Facebook等商業公司投入巨資介入空間激光通信網路研究及建設，進一步推動了空間激光通信的實用化進程。美國激光通信（LaserLight Communications）公司計劃建設全光混合全球網路（Halo），並制定了實施計劃開始實施。2016年該公司選定Equinix和子公司Laser LightGlobal（英國）作為戰略互聯供應商，並在DCAA國際商務數據中心構建首個全球網路服務提供點。同時，Facebook公司準備開始建設無人機激光通信網路，以Aquila無人機為空中激光節點，每架Aquila飛行高度18km，利用太陽能供電，滯空時間三個月，覆蓋範圍50平方公里，可為全球十多億人提供WIFI服務。

Laser Light公司實施計劃圖

Facebook無人機激光通信網路計劃

Facebook Aquila無人機

（2）歐空局（ESA）

歐盟歐空局（ESA）早期的SILEX計劃、TerraSAR-X項目、Alphasat衛星激光通信項目等均取得了極大成功，2008年首次實現了低軌衛星之間的相干激光通信，通信速率5.625Gbps，通信距離5100km。TerraSAR-X以及SILEX等試驗的成功給了歐空局（ESA）很大的信心，於2008年底開始計劃在其新的數據中繼衛星系統（EDRS，European Data Relays System）中應用空間激光通信終端，標誌著歐洲在空間激光通信領域取得了重大突破。

EDRS星座結構圖

2016年，歐洲數據中繼系統（EDRS）計劃。EDRS計劃是世界上首個實際應用並投入運營的空間激光通信項目，其初衷是通過使用LEO和中繼GEO衛星間高速激光通信鏈路和多條Ka波段GEO對地鏈路克服傳統低軌衛星在對地傳送數據方面能力的不足，即有限的傳輸容量和較大的數據時延。EDRS計劃的目標是創造一種新的衛星服務，促使空間激光通信系統的研發和實施達到成熟階段，並以商業模式運營。隨著歐盟哥白尼哨兵系統、未來地球觀測以及其他任務的啟動，對大文件的實時傳輸需求顯著增加，預計每天將從太空傳送幾TB的數據到地面。目前的通信基礎設施在面臨如此巨大數據的傳輸將面臨挑戰，而且傳統的通信手段不能充分滿足地球觀測數據用戶對服務質量的要求。而隨著星間激光通信鏈路傳輸容量的增加、終端載荷質量及功耗的降低將至少以10倍量級變化，射頻系統性能也能得到提升。為滿足以上需求，歐洲啟動了首個實際運作的數據中繼系統EDRS。EDRS是一個GEO衛星群，為LEO衛星、無人機和地面站之間提供用戶數據中繼服務，LEO用戶星將數據利用激光通信鏈路傳輸給GEO衛星，GEO採用微波通信把數據傳回地面。

EDRS相關數據

2016年1月27日發射了首顆EDRS-A衛星（GEO）。2016年6月1日ESA對外公布了第一張使用歐洲數據中繼系統先進激光技術轉發的哨兵1號衛星圖像，哨兵1A衛星（LEO，飛行速度28000km/小時）通過激光以600Mbps速率向EDRS-A高軌衛星傳送了圖像。EDRS-A地球同步衛星定位在赤道9°E，通過激光及微波與LEO衛星聯通。EDRS-A與LEO衛星之間通信速率是光1.8Gbps/Ka波段300Mbps，通信波長為1064nm，光學天線口徑為135mm，終端重量53kg，終端尺寸為60×60×74cm，功耗180W，通信距離45000km到75000km。EDRS-C衛星計劃發射於2017年，定位在赤道31°E，通信速率1.8Gbps，設計壽命15年。從高軌中繼衛星看，LEO衛星的可見時間將增加4倍達到45分鐘，同時工作於LEO和GEO的激光通信終端通信速率達1.8Gbps，是傳統X波段通信速率的3.5倍，意味著每顆LEO衛星可以將14倍大小的數據量回傳給地面。EDRS的第一個用戶是歐洲宇航局的哨兵1號和2號衛星，他們都攜帶了激光終端，通信速率1.8Gbps。預計到2020年，EDRS A/C/D/E將提供全面服務。

EDRS-A星載空間激光通信終端

ERDS傳回的首張圖像——法國留尼汪島La Reunion Island

（3）日本

早期日本開展了LCE、OICETS等項目，實現了世界首次低軌衛星與地面站及移動光學地面站之間的激光通信試驗，取得了巨大的成功。之後為保持空間激光通信技術方面的優勢，日本開始向小衛星載荷及中繼通信方向發展。

2014年，先進空間光通信技術衛星（SOCRATES）計劃。日本先進空間光通信技術衛星（SOCRATES，Space Optical Communications Research AdvancedTEchnology Satellite）計劃的目標是開發適合搭載於50kg級小衛星的超小型LEO激光通信終端（SOTA），總質量5kg左右，通信速率1~10Mbps，主要用於傳輸遙感圖像和遙測數據，下圖為SOTA終端實物圖。2014年5月SOTA搭載SOCRATES低軌小衛星發射入軌，並在8月至11月間成功開展了低軌衛星對地激光通信試驗，終端總重量5.8kg，最遠通信距離1000km，下行通信速率10Mbps。

SOTA終端實物圖

2019年，激光數據中繼衛星計劃。2015年1月9日，日本公布了新版國家航天開發基本計劃，把「激光數據中繼衛星」正式列入其中，2015財年下撥了32.08億日元作為啟動經費，計劃於2019年發射「激光數據中繼衛星」（GEO），將當前數據中繼系統的微波鏈路替換為激光鏈路，預計通信速率2.5Gbps，通信波長1064nm，採用DPSK相干調製解調，其LEO終端重量35kg，光學孔徑100mm，GEO終端重量50kg，光學孔徑200mm，平均功耗100W。

總之，國外空間激光通信技術經過近50年的發展，經歷了概念提出、理論研究、地面實驗和在軌試驗等階段，已經開始步入了工程化、實用化階段。下表為美、日、歐在空間激光通信技術方面的發展歷程及未來計劃。

感謝作者： 曾智龍 羅廣軍 孫暉 覃智祥 劉興 吳應 （電子科技集團公司第三十四研究所）

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