国际研究热点：国外空间激光通信技术，美日欧都在争相研发

导读：空间激光通信凭借其带宽优势，成为未来高速空间通信不可或缺的有效手段，是近年来国际上的研究热点。基于广泛的潜在应用领域，发达国家一直极为重视空间激光通信技术的研发，实施了一系列研究计划。空间激光通信技术发展迅速，取得了令人瞩目的进展。美国、欧洲、日本等均开展了多方向的技术研发项目。

国外空间激光技术的主要研究机构有美国NASA JPL（喷气推进实验室）、NASA GSFC（哥达德太空飞行中心）；欧洲的ESA（欧空局）、德国空间中心；日本的JAXA（日本航天局）、NICT（日本国家信息通信技术研究所）等。

LLCD（The Lunar Laser Communication Demonstration月球激光通信验证）

LLCD是美国实施的深空光通信项目，它试图在绕月飞行器与地面接收终端之间建立双向光通信链路，验证在月地距离情况下通过轻小型星载终端进行高速激光通信的可行性。该项目于2008年启动，2013年10月升空，四个月后试验结束。LLCD还证明了20Mbps的上行速率（用于回送往返月球的零误差高清视频，这使得今后人类探月任务极富吸引力），还为宇宙飞船提供了同步厘米级高精度测距，这可用于改进行星天体的重力模型。

LLCD任务结构图

LLCD与其它空间通信系统速度对比

但是，LLCD示范的实际性突破是其近乎完美运行的立场取得的巨大成功，其要求使用的系统要从探月LADEE仪器上返回真实高价值的科学数据以便调查研究月球环境。LLCD空间终端和主要的地面终端证明，每次传输在闭环跟踪15微弧度上行和下行光束后几乎同时采集信号，而在一系列工况下传输零误差数据，包括通过薄云传输，而在白天LADEE宇宙飞船与太阳的夹角在3度以内，并且LADEE和月球与地平线的夹角小于5度。

LLCD空间终端也证明，在主地面终端与两个辅地面终端之间2分钟以内进行的常规连接“交接”，这由美国加州桌山NASA喷气推进实验室（JPL）和位于西班牙特纳利夫岛的欧洲宇航局（ESA）提供。LLCD系统由1个LLST（月球激光通信空间终端）、2个地面通信终端——LLGT（月球激光通信地面终端）和LLOT（月球激光通信光学终端），1个LLOC（月球激光通信运营中心）构成。支持下行速率622Mbit/s和上行速率20Mbit/s的月地（通信距离约为40万km）双向激光通信。

LLST终端采用模块化设计，包括光学模块、调制解调模块和控制模块3大组成部分。光学模块包括1个口径为10cm的卡塞格伦式望远镜和1个两轴万向节，望远镜及其后端光学部件采用MIRU（磁流体惯性参考单元）抑制航天器引入的高频振动。光发射机与接收机位于调制解调模块内部，LLST发射机采用MOPA（主振功放）结构，如下图所示。

LLGT地面终端是一个望远镜阵列。发射天线由4个15cm的折射望远镜组成，接收天线由4个40cm的反射望远镜组成。光接收机采用SNSPD（超导纳米线单光子探测器）探测下行链路光信号，探测灵敏度优于1光子/bit（见下图）。

LLCD系统将要验证的新技术包括高峰值功率的光纤发射机、PPM高效调制技术和编码效率1/2的级联turbo码、超导纳米线单光子探测器、地面望远镜阵列、地面分集接收等。

2013年10月，NASA的LADEE升空，开始了为期4个月的战役，展示下一代激光通信系统并回答长期困扰大家的关于稀薄的月球大气的本质和起源问题。

LLCD系统被完全集成于LADEE飞行器上

2013年12月为期30天的“月球激光通信演示”（LLCD）任务完成。2014年4月，LADEE以3600英里/小时的极端速度在月球表面坠落并瓦解，部分零件由于撞击时产生的高温而汽化。NASA表示，LADEE的设备和技术经过改进可用来探测火星的卫星，从而大大节省火星探测资金，“LADEE2”可在NASA于本世纪20年代完成小行星探测后踏上探火之旅。

LCRD（Laser Communications Relay Demonstration）激光通信中继验证

LADEE是一项为期4月的短期任务，LLCD系统链路时间总共只有16h，并不能充分验证空间光通信链路的所有关键技术。为了全面充分地验证空间激光通信链路与网络技术，美国开展了另一项空间高速光通信演示验证计划——LCRD计划。

LCRD系统包括2个UEO（地球同步轨道）星载激光通信终端和2个地面激光通信终端。GEO星载激光通信终端是基于LLST终端开发的，计划搭载在一颗商业通信卫星上于2017年发射，支持2年在轨高速光通信试验，通信链路包括GEO卫星与地面站之间的双向激光通信链路，地面站——GEO_地面站的中继激光通信链路。美国计划通过LCRD项目验证下一代TDRSS（跟踪与数据中继卫星系统）的关键技术，包括编码调制技术、跟踪捕获技术、链路与网络协议等，为未来设计、建造和运行高效费比的光通信系统和中继网络积累经验；同时验证深空光通信技术、先进的联网技术和运行理念等。LCRD系统通信链路示意图如下图所示。

LCRD的光学模块目前已经开始商业化生产，整个光学模块被分为四部分，分别为：光学组件（OA）、万向节锁组件（GLA）、惯性稳定平台（ISP）和太阳能窗口组件（SWA）（见下图）.其中OA将由Exelis Geospatial Systems of Rochester制造和测试，GLA由SNC （Sierra Nevada Corporation）制造，ISP由Applied Technology Associates制造，SWA由L-3 Integrated Optical Systems制造。

LLCD与LCRD系统的主要技术指标图下表所示。

PPM调制技术配合单光子探测技术，探测灵敏度可超过1光子/bit，特别适合超远距离深空光通信系统。由于目前还未开发出适应空间环境的单光子探测器，所以PPM体制在近地高码率激光链路中的应用受到限制。近地高码率激光链路系统中更适合采用DPSK（差分相移键控）体制，虽然DPSK体制比PPM体制的光子利用效率低，但更容易实现超高码率通信，且能够适应空间环境。从表中可以看出，美国开发的星载激光通信终端的明显特征是体积小、质量轻、功耗低，这些优势来自于接收机的高探测灵敏度。美国已研制的10Gbit/sDPSK外差相干接收机探测灵敏度可达74光子/bit。

DSOC（Deep Space Optical Communications）深空光通信终端

LLCD的历史成功为NASA JPL进行的NASA前期深空光终端（DOT）工作注入了新动力。具体来说，NASA＂空间技术任务理事会（STMD）和SMD现在已与HEOMDSCaN项目密切合作，在2017年财政年末，使重新命名的深空光通信（DSOC）终端达到6级技术成熟度（TRL），以便在即将开始的“2020探索”任务中作为政府提供的设备（GFE）。

DSOC用于从近地小行星开始向外到木星的工作，并以250Mbps以上的速率从火星反向传输数据（0.42AU或63Mkm），而消耗质量为28千克，功率76瓦。但是，与LLCD相比，DSOC还遇到其他难题，包括l000×以上的链路（链路损耗60dB以上），千瓦级地面上行光束，宇宙飞船上观察上行光束的光子计数探测器阵列以及对数量级改进借助惯性稳定的波束指向和下行光束较大提前瞄准角的需求。

与LLCD相比，DSOC还要求更多的地面接收器光阑，目前正在研究开发12米的望远镜，尽管目前计划是在Palomar山上使用5米的Hale望远镜从火星以100Mbps以上的速率反向传输数据。注意根据火星勘测轨道飞行器（MRO）Ka波段发射器测得的数据，从火星证实的最高RF数据速率为6Mbps，所以DSOC反映了对火星科学界迄今接收到的数据的数量级改进。

SCaN计划也支持NASAJPL的研究，准备在火星2020探测器上安装很小的激光通信终端（6千克，50瓦以下），如下图所示。这种终端以高达20Mbps的速率与火星轨道飞行器上的光中继终端进行通信（当然需要这种终端），更有趣的是，它能从火星表面以高达200kbps的速率提供“直接对地”（DTE）的链路，这是比当前X波段RFDTE链路更好的数量级。该系统将基于一个小的发射孔（5cm），而且还可发现近地激光通信低地轨道（LEO）对地应用的更多附加应用。

EDRS（European Data Relay Satellite欧洲数据中继卫星系统）

自2008年11月，ESA开始制定和实施新的数据中继卫星系统——EDRS（欧洲数据中继卫星系统）计划，EDRS是一个GEO卫星群，基于光波和Ka频段，在GEO卫星、无人机和地面站之间提供用户数据中继服务。

EDRS包含2个GEO通信载荷：EDRS-A和EDRS-C，它们各自配备了一套激光通信终端，用于星间光通信链路。激光通信终端基于零差相干BPSK（二进制相移键控）调制解调体制，按照链路距离大于4.5万km、码速率为1.8Gbit/s、误码率小于10-8的指标设计。

该项目由ESA、空客防务与航天公司以及Avanti通信公司联合实施。Avanti公司在2012年初投资1.18亿美元，当时计划在EDRS-C卫星上搭载一个通信载荷，以扩展其现有的宽带通信业务。空客和ESA签订协议，由空客负责管理EDRS业务，欧盟执行委员会作为关键承租人。欧洲委员会将采用激光中段为欧盟低轨对地观测卫星和静止轨道卫星之间提供高速率数据中继——这些卫星均携带激光通信终端。

EDRS的激光通信终端（LCT）是由德国特萨特空间通信公司（Tesat-Spacecom）开发的第二代产品（2nd generation LCTs）。与SILEX时代的LCT和第一代LCT相比，第二代LCT在速率、距离、误差等方面都有很大的进步（见下表）。

欧洲数据中继系统（EDRS）的第二颗卫星EDRS－C已经完成一系列测试，做好发射前准备。

SOCRATES（Space Optical Communications Research Advanced Technology Satellite研究先进空间光通信技术卫星）

2008年，JAXA开始研制第2代光通信终端，目标是开发小型化、轻量化、低功耗星载激光通信终端，LEO-GEO链路通信速率为2.5Gbit/s。终端主要技术指标见下表。

2011年，日本NICT（国家信息与通信技术研究所）成功研制出卫星光通信双波段数字零差相干接收机，该接收机能够解调1.06μm、1.55μm波段强度调制信号和BPSK（QPSK）信号，利用数字信号处理载波相位恢复技术和零差相干接收技术能够解调6Gbir/sBPSK（或12Gbit/sQPSK）信号。

SOCRATES计划目标是开发适合搭载于50kg级小卫星的超小型LEO激光通信终端—SOTA（（Small Optical Transponder小型光通信终端），总质量仅为5kg左右，码速率为1～10Mbit/s，主要用于传输遥感图像和遥测数据。下图为SOTA终端的工程飞行模型。该终端上安装了4个激光模块，2个作为激光通信光源，其余2个作为光量子密钥分发的纠缠光子源。

NICT已经研发出探测效率为20%的新型超导单光子探测器。纠缠光子源和单光子探测器都是光量子密钥分发系统的重要基本组成单元。日本计划利用SOTA终端构建绝对安全的全球光通信网络，飞机、卫星收集的高分辨率图像数据可通过空间高速激光通信链路下传至地面站，洲际量子密钥分发网络可确保数据传输的安全性。

空间激光通信技术近年来飞速发展，许多技术难题逐步被攻克。例如，快速高精度指向、捕获、跟踪（PAT）技术，大气湍流效应抑制及补偿技术，窄线宽大功率激光发射技术、低噪声光放大技术和高灵敏度DPSK/BPSK/QPSK光接收技术等。这些技术难题的攻克，为实现星际激光通信奠定了基础。

主要参考资料:

[1]. Lunar Laser Communication Demonstration NASA’s First Space Laser Communication System Demonstration

[2]. Laser Communications Relay Demonstration （LCRD） update and the path towards optical relay operations

[3].张保庆. 国外空间激光通信技术发展分析. 北京航天情报与信息研究所

[4]. 高铎瑞，李天伦，孙悦，汪伟，胡辉，孟佳成，郑运强，谢小平. 空间激光通信最新进展与发展趋势[J]. 中国光学， 2018， 11（6）

[5]. NASA 2015年以后的光通信计划