深空激光通信发展现状与趋势分析

深空探测是人类探索宇宙和理解宇宙的基础，是科学研究的前沿领域之一。深空通信是横跨星际的信息之桥，将遥远的深空飞行器与地球连接在一起，是指引深空探测任务顺利完成的路标。以激光为载波的通信系统具有通信速率高、体积小和重量轻等特点，已成为深空通信未来发展的主要方向，也成为国际上近年来的研究热点。文章归纳了深空激光通信技术的特点，详细介绍了国内外深空激光通信技术领域的发展脉络、最新研究进展和未来发展规划，并分析了深空激光通信的发展趋势，归纳出涉及到的关键技术，最后进行了总结与展望。为我国深空激光通信和星际激光通信网的发展提供一定的借鉴和参考。

研究背景

自古至今，人类对神秘的宇宙充满了好奇心和探索欲。从曹操北征乌桓得胜回师写下“日月之行，若出其中；星汉灿烂，若出其里”到阿姆斯特朗在月球表面留下了人类足迹，追寻未知的世界、不断扩展生存的疆域是人类文明向前发展与进步的原动力。深空探测通常是指对月球及更远的地外天体进行空间探测活动，是回答关于我们所处的物质世界和人类生命起源等终极问题的必要途径，对科技进步和人类文明的发展具有极为重大的意义。

图1 深空示意图

深空通信是地球与遥远深空飞行器建立联系的信息桥梁，是保障深空探测任务顺利完成的空间纽带。随着遥测技术的快速发展，合成孔径雷达和高光谱成像仪等高分辨率图像采集仪器的使用，以及机器人/载人探测任务的语音、视频等都产生了大量的数据。这些数据只有准确、实时的传回地面，才能够被科学有效的利用，这对航天器的通信系统提出了很高的要求。

依靠微波通信技术已经难以满足上述日益增长的通信需求，制约了宇宙观测科学的发展。空间激光通信具有速率高、通信容量大、天线尺寸小、功耗低、体积小等优点，因此，发展深空激光通信技术是解决目前深空航天器数据传输瓶颈问题的有效技术思路。

主要内容

深空激光通信技术特点

无论是深空还是近地激光通信，它们都共享诸如高传输速率、大数据容量、出色的抗干扰性、优秀的安全性、小巧的体积、轻盈的重量以及低功耗等一系列优势，但深空激光通信与近地激光通信又有着极大的不同：

（1）链路距离远，空间损耗大，传输时延长；

（2）基于自然天体信标的瞄准、捕获和跟踪（PAT）；

（3）相对速度大，提前量角大；

（4）多普勒频移大；

（5）任务期长。

国内外发展现状

与近地激光通信相比，深空激光通信面临着更大的信号衰减和更复杂的信道条件，这使得光束PAT技术的难度显著提高。为了满足链路的要求，需要同时增强发射光功率、提升收发天线的增益、优化瞄准捕获跟踪策略、提高接收端的灵敏度以及纠错编码增益，由此会使系统的设计变得更加复杂。目前，只有美国进行了深空激光通信在轨试验验证。我国现阶段正在开展深空激光通信关键技术的攻关，并已规划进行月球到地球激光通信的演示验证工作。表1总结了国内外深空激光通信演示计划。

表1 深空激光通信计划

注：AU表示天文单位，1 AU≈1.5亿千米

深空激光通信发展趋势分析

1）更远的通信距离

深空激光通信从最初的月球-地球40万千米，一直发展到0.1~2 AU，未来将达到5 AU甚至更远。更远的通信距离可实现火星、木星等超远距离深空探测任务信息的回传，但也极大增加了激光通信系统的设计难度，主要涉及到的关键技术包括超远距离PAT技术、高功率光发射技术、地面超大口径光学天线技术和超高灵敏度单光子探测技术等。

图2更远通信距离发展趋势示意图

2）深空通信组网

目前，深空激光通信的演示验证主要采用直接从深空航天器将数据传回地球的“单跳”通信模式。但是，光学地面站易受天气条件的影响，导致较低的可用性。为了提高可用性，需要在全球范围内多点部署光学地面站。另一种模式是“多跳”通信模式，即深空航天器先与GEO卫星或空间站通信，再经中继传回地球。在这种模式中，深空航天器与中继卫星之间使用激光通信，而中继卫星到地球则可以使用微波或激光通信。这种方法不仅显著提高了通信可用性，而且通过多星网络增强了系统可靠性。

图3 NASA太阳系互联网构想图

3）深空通信终端小型化、集成化

深空激光通信终端对体积、重量、功耗提出的更为严苛的要求，光机结构可采用SiC材料降低重量。但受通信距离的限制，终端光学天线口径需提供足够高的光学增益，制约了终端光机结构减重设计。主要技术途径包括轻量化光学天线和转台、简化中继光路和发展基于光子集成的通信收发机等。

4）深空通信终端型谱化

实施深空激光通信项目面临的挑战是多方面的，包括其复杂性和长测试周期。与近地激光通信系统相比，深空激光通信系统在光学、结构和热控制设计等方面有着显著的差异。尽管如此，通过采用型谱化的设计方法能够实现组件或系统的重用，这样不仅可以减少成本，还能降低整体项目的工程难度。主要技术途径包括模块化望远镜、模块化中继光路和模块化通信收发机等。

图4激光通信终端模块化组成

深空激光通信关键技术分析

1）超远距离PAT技术

对于月-地距离的通信链路，可以利用捕获光学地面站发出的信标光来实现链路的建立。然而，对于更远的距离，由于发射光功率的受限，地面站的信标光将无法支持链路的捕获。为解决这一问题，可以将地球视为信标，对地球进行红外成像，进而实现对光学地面站的无信标捕获。但是地球在自转，会引起陆地、海洋和云量的变化，影响地球图像的灰度值分布，对定位中心造成困难。另外一种方案是采用红外恒星敏感器，对恒星进行捕获跟踪，根据恒星惯性坐标的位置信息对下行光束方向进行校正，从而实现快速的无信标捕获。

2）高能量利用率调制/编码技术

在深空激光通信中，接收端只能接收到极弱光信号，并且会遭受到相当强烈的信道噪声干扰。因此，在选择调制技术时，我们主要关注的是提高光子的使用效率以及系统的抗干扰性。PPM调制因其出色的能量利用效率和强大的抗干扰特性，已成为深空激光通信中的首选调制技术。同时，深空激光通信传输链路易中断，因此需要纠错能力强的纠错编码方式。SCPPM码是将卷积码和PPM调制进行级联融合，继承了卷积码易于实现且译码简单的特点，同时又将调制加入到了编码的过程中，提高了系统能量的利用率，这已经成为CCSDS调制编码的标准化方案。

3）高功率光发射技术

针对深空激光通信的超长距离需求，提升激光的发射功率和转换效率的同时维持高峰值功率下光束的高质量是关注焦点。NASA DSOC的高功率激光发射组件（LTA）采用保偏主振荡功率放大器技术。将分布式反馈激光器作为种子源，通过电光调制产生PPM脉冲光信号，随后进入两级保偏高功率光放大。第一级采用掺铒光纤放大，二级采用铒镱共掺光纤放大。以16~128阶的PPM调制输出1550nm的光信号，脉冲宽度在0.5ns到8ns间，能够保证平均功率在4W以上，光束质量M2<1.2，消光比大于13dB。LTA在内部器件选择时，均选择符合Telcordia标准的有源光电器件和无源光纤器件。

图5DSOC高功率激光发射组件方案

4）地面超大口径光学天线技术

深空光信号经过超长距离传输后，光束空间损耗巨大，地面若要收集更多的光能量，需增大地面接收光学天线口径，可采用单个大孔径光学天线或多口径光学天线阵列。单个大口径光学天线接收需增加自适应光学系统，但自适应光学对光信号的能量要求较高，无法适用于能量极度受限的深空通信。因此，可以发展多个中小型光学天线阵列等效替代大口径光学天线，分集接收，一方面提升接收总能量，另一方面减小光强闪烁等大气湍流影响。

5）超高灵敏度单光子探测技术

在深空激光通信中，由于通信距离极远，信号需要穿越宇宙和大气的复杂信道，这大大增加了恢复信号载波的相位和频率信息的难度。并且，单光子探测的灵敏度要优于相干接收。因此，现行的深空探测系统普遍采用单光子直接探测方式。对于深空激光通信地面接收端，超导纳米线单光子探测器（SNSPD）是目前的研究热点。多个研究机构正在开展提高SNSPD的临界温度和制冷小型化的相关工作，有望未来运用于飞行激光终端。

此外，对于实现超高灵敏度接收，还可以采用光参量放大（OPA）技术实现理论极限噪声系数0 dB的光放大，后端使用常规光电探测器即可。如果将OPA用作深空激光通信系统接收端的前置放大器，将会进一步提高探测器的接收灵敏度，因此，OPA技术在深空激光通信系统中具有重要的应用前景。

图6基于光参量放大的深空激光通信系统

结论

激光通信是深空通信未来发展的必然选择，是深空探测活动的重要组成部分。美国和欧洲是深空激光通信技术领域研究的先行者，已经对月球到地球的激光通信进行了在轨技术验证，并且突破了深空激光通信的多项关键技术。DSOC系统已于2023年10月发射，标志着激光通信技术已逐步迈向月-地以外的空间，即将处于实用化阶段。随着激光通信技术的不断更迭进步，深空激光通信将成为星际互联网构建中不可或缺的组成部分，势必在星际骨干网、外延网以及行星网的链路构建中发挥其应用效能。同时，深空激光通信与近地激光通信的发展相得益彰，最终将构建起以近地高轨、低轨卫星为基础的近地激光通信网，以及在此基础上的深空激光通信网。