付 強(qiáng)，姜會(huì)林*，王曉曼，劉 智，佟首峰，張立中

(1.長(zhǎng)春理工大學(xué)空間光電技術(shù)研究所，吉林長(zhǎng)春130022; 2.長(zhǎng)春理工大學(xué)電子信息工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130022)

1 引言

空間激光通信經(jīng)過(guò)多年探索取得了突破性進(jìn)展，已成為解決微波通信瓶頸、構(gòu)建天基寬帶網(wǎng)、實(shí)現(xiàn)對(duì)地觀測(cè)海量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)挠行侄?，具有很大的民用和軍用潛力。其?yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在［1］:

(1)光波頻率高。其頻率比微波頻率高3～4個(gè)數(shù)量級(jí)，作為通信的載波有更寬的利用頻帶，可實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，對(duì)于地球科學(xué)研究、環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測(cè)、軍事信息獲取等應(yīng)用意義重大。

(2)光波波長(zhǎng)短。與微波相比其發(fā)射天線口徑成倍減小，同時(shí)激光發(fā)散角小，能量高度集中，功率相對(duì)較低，使得通信終端在體積、重量和功耗方面都具有明顯優(yōu)勢(shì)。該特點(diǎn)使得光通信終端易于搭載多種平臺(tái)，實(shí)用化程度高。

(3)激光方向性好。它的發(fā)射光束極窄，使得激光通信具有高指向性，而且能夠有效地提高防竊聽(tīng)能力，使得對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸具有極高的保密性。

(4)光波波段遠(yuǎn)離電磁波譜。空間激光通信抗干擾能力比空間微波通信強(qiáng)得多，在機(jī)場(chǎng)、戰(zhàn)區(qū)等特殊環(huán)境下，仍能保證對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)的順暢傳輸。

(5)空間激光通信經(jīng)過(guò)大氣時(shí)，通過(guò)選擇適宜的波長(zhǎng)、采用多點(diǎn)布站、自動(dòng)浮動(dòng)閾值、自適應(yīng)光學(xué)等措施可以有效減少氣候及天氣的影響。

因此，先進(jìn)的空間激光通信將對(duì)信息時(shí)代，特別是數(shù)據(jù)海量傳輸技術(shù)的發(fā)展起到極大的促進(jìn)和支撐作用。

2 國(guó)外空間激光通信研究現(xiàn)狀

近年來(lái)空間激光通信的研究已成為熱點(diǎn)，特別是美國(guó)、歐洲、日本等國(guó)家投入了大量的財(cái)力和技術(shù)力量［2-4］。國(guó)外針對(duì)空間光通信鏈路的主要成功試驗(yàn)及計(jì)劃情況見(jiàn)表1。

表1 國(guó)外主要空間光通信任務(wù)及參數(shù)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistics of foreign space optical communication plans and parameters

Table continued

2.1 歐 洲

歐洲是空間激光通信技術(shù)的引領(lǐng)者，研究機(jī)構(gòu)有歐空局(ESA)、Matra Marconi Space公司和Oerliken公司等。其中ESA的衛(wèi)星間激光通信(SILEX)系統(tǒng)和德國(guó)的LCTSX系統(tǒng)分別標(biāo)志著空間激光通信發(fā)展的兩個(gè)里程碑。

(1)SILEX系統(tǒng)

ESA從1985年開(kāi)始實(shí)施SILEX計(jì)劃，主要目的是在試驗(yàn)基礎(chǔ)上驗(yàn)證衛(wèi)星間激光通信的所有技術(shù)，SILEX系統(tǒng)如圖1所示。其中以數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星ARTEMIS為代表，其接收速率為50 Mbps，波長(zhǎng)為847 nm的非歸零(NRZ)調(diào)制信號(hào)，然后調(diào)制到Ka波段將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到RF地面站(Redu，比利時(shí))，其通信波長(zhǎng)為819 nm，可發(fā)射2 Mbps速率的脈沖位置調(diào)制(PPM)信號(hào)。

圖1 SILEX系統(tǒng)Fig.1 SILEX System

2001年11月20日，ESA的 ARTEMIS衛(wèi)星上的激光通信終端SILEX與法國(guó)地面觀測(cè)衛(wèi)星SPOT4首次實(shí)現(xiàn)星際間激光通信單工鏈路試驗(yàn)，其通信波長(zhǎng)為800 nm，通信距離為45 000 km，通信速率為50 Mbps，誤碼率為10－6。

2003年3月至2009年，ESA的ARTEMIS衛(wèi)星上的激光通信終端SILEX與光學(xué)地面站(OGS)做了大量試驗(yàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，ARTEMIS衛(wèi)星與OGS之間做了393次雙向鏈路試驗(yàn)，其中失敗了34次，成功概率為91.3%，鏈路保持的總時(shí)間為78 h，OGS系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 OGS系統(tǒng)Fig.2 OGS system

2005年12月，ESA的ARTEMIS衛(wèi)星上的激光通信終端SILEX與日本OICETS衛(wèi)星的激光通信終端LUCE建立通信鏈路。通信波長(zhǎng)為800 nm，通信距離為45 000 km，通信速率上行數(shù)據(jù)為2 Mbps，下行數(shù)據(jù)為50 Mbps。

圖3 ARTMIS衛(wèi)星上的激光通信終端SILEX建立的鏈路Fig.3 Established link from laser communication terminal SILEX on satellite ARTEMIS

2006年，法國(guó)的LOLA試驗(yàn)在 ARTEMIS衛(wèi)星和飛機(jī)之間展開(kāi)，如圖3所示。飛機(jī)搭載了ELSA終端，ELSA終端是降低了重量和體積的SILEX簡(jiǎn)化版。在有湍流的大氣條件下，激光鏈路成功地傳輸了視頻和音頻信號(hào)，信號(hào)采用了復(fù)雜的編碼以處理大氣的衰減和損耗。這次試驗(yàn)證明了強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(cè)(IM/DD)方式可以在比較強(qiáng)的大氣湍流條件下工作。

(2)LCTSX通用型終端

德國(guó)的TerraSAR-LCTSX終端采用零差二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)相干探測(cè)技術(shù)，屬于激光星際鏈路研究計(jì)劃。TerraSAR-LCTSX星載相干激光終端和搭載它的TerraSAR-X遙感衛(wèi)星如圖4、圖5所示。

圖4 TerraSAR-LCTSX星載相干激光終端Fig.4 LCTSX laser coherent terminal borned on Terra-SAR

圖5 TerraSAR-X遙感衛(wèi)星以及其搭載的激光通信終端Fig.5 Terra SAR-X remote sensing satellite and laser communication terminal

圖6 LCTSX終端地面試驗(yàn)Fig.6 Ground test of LCTSX terminal

在La Palma和Tenerife兩個(gè)島嶼之間進(jìn)行了自由空間BPSK相干光通信試驗(yàn)，其傳輸距離為142 km，通信碼速率為5.6 Gbps，如圖6所示。在TerraSAR-LCTSX終端研發(fā)過(guò)程中，分析了星載相干激光對(duì)地通信系統(tǒng)中光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)在惡劣的天氣條件下的通信性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，零差BPSK光通信技術(shù)在大氣信道中具有很好的性能。

搭載LCTSX終端的美國(guó)NFIRE衛(wèi)星和德國(guó)TerraSAR-X衛(wèi)星分別于2007年4月和6月發(fā)射成功。2008年3月，NFIRE衛(wèi)星與 TerraSAR-X衛(wèi)星通過(guò)激光終端在相距6 000 km建立了激光數(shù)據(jù)傳輸鏈路，進(jìn)行了空間寬帶數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)了雙向通信5.6 Gbit/s的超高速數(shù)據(jù)傳輸。在適當(dāng)?shù)奶鞖鈼l件下，鏈路可以建立。圖7為這次星地鏈路試驗(yàn)的誤碼率。

圖7 移動(dòng)光學(xué)地面站Fig.7 Mobile OGS

由上圖可以看出，在通信過(guò)程中，由于大氣的影響，鏈路的誤碼率會(huì)突發(fā)性地跳動(dòng)5～6個(gè)數(shù)量級(jí)?？梢?jiàn)，大氣信道對(duì)星地激光通信鏈路的影響及通信誤碼率長(zhǎng)期、穩(wěn)定地保持是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

為了檢驗(yàn)星地相干通信技術(shù)的可行性，TESAT公司建造了移動(dòng)光學(xué)地面站，如圖8所示。

圖8 5.625 Gbps星地相干鏈路試驗(yàn)誤碼率Fig.8 Error rate of coherent link test at 5.625 Gbps

2.2 美國(guó)

圖9 激光通信演示系統(tǒng)(OCD)Fig.9 Laser communication demonstration system

美國(guó)衛(wèi)星光通信從20世紀(jì)70年代就開(kāi)始了相關(guān)研究，主要研究機(jī)構(gòu)是美國(guó)宇航局(NASA)和美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)，主要科研單位是加州理工大學(xué)噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室(JPL)和麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室(MIT)。還有Thermo Trex公司、Ball Areospace公司也進(jìn)行了很多研究工作。以下介紹幾個(gè)比較有代表性的研究成果:

(1)激光通信演示系統(tǒng)

激光通信演示系統(tǒng)(OCD)由NASA支持的JPL于1994年研制成功，目的是驗(yàn)證超遠(yuǎn)距離星地激光通信的可行性，是一個(gè)基于實(shí)驗(yàn)室的演示系統(tǒng)，如圖9所示。OCD的設(shè)計(jì)集中了當(dāng)時(shí)很多先進(jìn)的技術(shù)，如光束獲取、高帶寬跟蹤、精確光束瞄準(zhǔn)和前饋補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)。設(shè)備包括一個(gè)直徑為10 cm的光學(xué)天線、一個(gè)用于空間獲取的CCD陣列、高帶寬跟蹤裝置。數(shù)據(jù)率可達(dá)250 Mbps，通信波長(zhǎng)為0.8 μm，采用開(kāi)關(guān)鍵控(OOK)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)制。

(2)STRV-2試驗(yàn)

搭載在STRV-2上的激光通信終端LCT由美國(guó)彈道導(dǎo)彈防御組織(BMDO)支持研究，目的在于演示低軌衛(wèi)星TSX-5與地面站間的上行和下行激光通信，驗(yàn)證衛(wèi)星與地面間通信速率達(dá)到Gbps量級(jí)是否可行。

STRV-2的通信單元采用直接調(diào)制半導(dǎo)體激光發(fā)射和雪崩光電二極管接收。捕獲對(duì)準(zhǔn)跟蹤(APT)單元采用波長(zhǎng)為0.8 μm的半導(dǎo)體激光作為信標(biāo)光，CCD探測(cè)器接收，銫原子濾波器做背景光抑制。光學(xué)天線單元采用發(fā)射端和接收端相互分離的結(jié)構(gòu)，星載終端天線直徑為1.6 cm(發(fā)射)和13.7 cm(接收)，地面站終端天線直徑為30.5 cm(發(fā)射)和40.6 cm(接收)。STRV-2系統(tǒng)采用了多個(gè)發(fā)射孔徑，其中星載終端4路，地面站終端12路，減少了大氣閃爍的影響［5］。

2.3 日 本

日本是較早進(jìn)行光通信研究的國(guó)家之一，其研究發(fā)展迅速且取得了重大突破。日本于1995年與美國(guó)JPL一起實(shí)現(xiàn)了世界上首個(gè)星地光通信鏈路，從而證明了星地光通信是可行的。其主要研究機(jī)構(gòu)是郵電省的通信研究實(shí)驗(yàn)室(CRL)、日本宇宙開(kāi)發(fā)事業(yè)團(tuán)(NASDA)、日本電氣公司(NEC)和東芝公司(TOSHIBA)。

(1)激光通信試驗(yàn)

日本的工程測(cè)試衛(wèi)星6號(hào)(ETS-VI)上所搭載的LCE裝置(如圖10所示)實(shí)現(xiàn)了世界上首個(gè)星地激光鏈路。ETS-VI于1994年8月發(fā)射升空，由于推進(jìn)火箭故障，沒(méi)有進(jìn)入預(yù)定的地球同步軌道，縮短了生命周期。但通過(guò)CRL和NASA的JPL合作，進(jìn)行了一些空間對(duì)地激光通信鏈路試驗(yàn)。LCE項(xiàng)目主要完成了以下驗(yàn)證工作:

a)實(shí)現(xiàn)了 APT功能。在1994年12月至1996年7月期間實(shí)現(xiàn)了多次激光鏈路通信。

b)完成了雙向光通信試驗(yàn)。ETS-VI和地面站之間采用強(qiáng)度調(diào)制、直接探測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了上行(510 nm波長(zhǎng)氬離子激光)和下行(830 nm波長(zhǎng)13.5 mW鋁鎵砷激光)鏈路。傳輸數(shù)據(jù)率為1.024 Mbps，通信距離大于40 000 km。衛(wèi)星上收發(fā)天線直徑為7.5 cm，地面接收天線直徑為1.5 m，發(fā)射天線直徑為20 cm。，

圖10 ETS-VI激光通信終端Fig.10 ETS-VI laser communication terminal

c)測(cè)量了上行和下行鏈路光束的傳輸特性。試驗(yàn)測(cè)量了ETS-VI星地光通信鏈路中大氣湍流對(duì)接收光功率等通信參數(shù)的影響，包括不同時(shí)間段測(cè)量得到的上行鏈路和下行鏈路中接收光功率隨時(shí)間的變化情況、不同時(shí)間段測(cè)量得到的上行鏈路和下行鏈路中接收到的功率譜密度隨時(shí)間的變化情況。

d)測(cè)試了光學(xué)器件在空間中的工作特性。試驗(yàn)中對(duì)激光器、各種探測(cè)器等光學(xué)相關(guān)器件進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并發(fā)現(xiàn)采用閉環(huán)方式較開(kāi)環(huán)方式能更好地抑制跟瞄機(jī)械裝置產(chǎn)生的振動(dòng)影響。

(2)激光通信演示試驗(yàn)

日本在1990年建造了空間光學(xué)通信研發(fā)中心的光學(xué)地面設(shè)施，計(jì)劃將此作為一個(gè)主要用于星地激光通信研究的固定地面站，該地面站系統(tǒng)配備了自適應(yīng)光學(xué)裝置［6］。他們還在2000年研制出用于國(guó)際空間站(ISS)對(duì)地雙向超高速激光通信終端LCDE，安裝在名為“希望號(hào)”的可裝卸式實(shí)驗(yàn)艙JEM的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，主要參數(shù)如表2所示［7］。

表2 LCDE參數(shù)指標(biāo)Tab.2 Parameter indexes of LCDE

(3)OICETS衛(wèi)星激光通信終端

日本NASDA研制的OICETS衛(wèi)星激光通信終端LUCE在2005年8月23日升空，進(jìn)入高度為610 km、傾斜為97.8°的近地太陽(yáng)同步軌道。該衛(wèi)星的主要目的之一是試驗(yàn)LEO軌道到地面的激光信號(hào)傳輸特性，通信波長(zhǎng)為800 nm，試驗(yàn)分別與日本國(guó)家情報(bào)與通信技術(shù)研究所(NICT)和德國(guó)宇航中心(DLR)的光學(xué)地面站合作完成。2006年3月和5月在NICT進(jìn)行了衛(wèi)星到地面的試驗(yàn)，3月28日在地面站接收到下行鏈路的數(shù)據(jù)。在試驗(yàn)期間，光學(xué)鏈路成功地進(jìn)行重復(fù)連接，地面站和OICETS可以有效地進(jìn)行捕獲和跟蹤。2006年9月19日，OICETS最終接收到上行鏈路數(shù)據(jù)的誤碼率為10－7。夜間進(jìn)行了18次實(shí)驗(yàn)，每一終端的捕獲和跟蹤成功率約為61%。在這次實(shí)驗(yàn)中，從NICT地面站開(kāi)始發(fā)射信標(biāo)光和信號(hào)光一直到系統(tǒng)進(jìn)入初始捕獲跟蹤階段，持續(xù)時(shí)間為50 s，精瞄準(zhǔn)傳感器的功率在初始跟蹤階段處于飽和狀態(tài)。OICETS衛(wèi)星對(duì)地激光通信鏈路如圖11所示，激光通信終端LUCE如圖12所示，德國(guó)DLR地面站如圖13所示。

圖11 OICETS衛(wèi)星對(duì)地激光通信鏈路Fig.11 Laser communication links between satellite and ground

圖12 LUCE激光通信終端Fig.12 LUCE laser communication terminal

圖13 德國(guó)DLR衛(wèi)星地面站Fig.13 Germary DLR OGS

2006年6月，在DLR進(jìn)行了衛(wèi)星到地面的試驗(yàn)，KIODO實(shí)驗(yàn)是與德國(guó)DLR光學(xué)地面站共同完成的，6月間進(jìn)行了8次夜間試驗(yàn)，在晴朗的天空下成功建立了光學(xué)鏈路。在試驗(yàn)過(guò)程中，進(jìn)行了下行鏈路的BER測(cè)量，獲得的地面站記錄中最好BER為10－6。試驗(yàn)結(jié)果表明，在強(qiáng)湍流條件下、大氣信號(hào)衰減很大，接收光斑抖動(dòng)較為嚴(yán)重，光斑寬展對(duì)通信和跟瞄性能影響很大，需要采用有效措施加以解決，提高激光傳輸性能［8-9］。

3 空間激光通信關(guān)鍵技術(shù)

3.1 高功率、高速率激光調(diào)制發(fā)射技術(shù)

高功率、高速率激光調(diào)制發(fā)射系統(tǒng)由激光器、調(diào)制器、驅(qū)動(dòng)器、溫度控制、功率控制、光放大器、光學(xué)天線和信道編碼部分組成，同時(shí)采用電子學(xué)濾波、光學(xué)濾波、自適應(yīng)濾波技術(shù)來(lái)提高信噪比。

3.2 高靈敏度、復(fù)雜環(huán)境下的光信號(hào)接收技術(shù)

激光接收方式主要有直接探測(cè)和相干探測(cè)。直接探測(cè)是目前空間激光通信系統(tǒng)最常用的形式，技術(shù)比較成熟;但是該探測(cè)方式的探測(cè)靈敏度取決于器件性能，通信速率升高，探測(cè)器靈敏度隨之下降。在相同通信條件下，相干探測(cè)可以提高光接收機(jī)靈敏度10～20 dB，但要求信號(hào)光與本振光具有良好的相干性、頻率穩(wěn)定性及精確的空間光場(chǎng)匹配能力，這種探測(cè)方式涉及的系統(tǒng)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)難度大，是目前國(guó)際上的研究熱點(diǎn)。

3.3 高精度APT技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)高精度動(dòng)態(tài)跟蹤，通常采用粗精復(fù)合軸APT技術(shù)。粗跟蹤具有較大的視場(chǎng)、較低的伺服帶寬，主要用于實(shí)現(xiàn)快速捕獲和穩(wěn)定粗跟蹤，使信標(biāo)光斑可靠進(jìn)入精跟蹤視場(chǎng);精跟蹤具有較小的動(dòng)態(tài)范圍、較高的伺服帶寬和高跟蹤精度，可進(jìn)一步有效抑制粗跟蹤殘差。復(fù)合軸APT分系統(tǒng)的最終跟蹤精度主要取決于精跟蹤伺服單元性能。

3.4 發(fā)射接收光學(xué)系統(tǒng)及基臺(tái)技術(shù)

光端機(jī)發(fā)射接收光學(xué)系統(tǒng)和基臺(tái)是實(shí)現(xiàn)通信的重要裝置，是空間激光通信的核心部分，需要對(duì)光學(xué)系統(tǒng)多功能、集成化設(shè)計(jì)，光學(xué)基臺(tái)小型化、輕量化設(shè)計(jì)，消雜光設(shè)計(jì)，高精密裝調(diào)設(shè)計(jì)等技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行研究。

3.5 大氣信道對(duì)激光通信影響的抑制技術(shù)

大氣對(duì)激光傳輸產(chǎn)生光強(qiáng)閃爍、波前畸變等影響，從而影響激光通信距離、誤碼率等工作性能。它對(duì)通信子系統(tǒng)、APT子系統(tǒng)、光學(xué)子系統(tǒng)等所有子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的確定都產(chǎn)生非常大的影響。因此，采用合適的地面站選址、多點(diǎn)布站、增加接收天線面積、多孔徑發(fā)射、自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)等抑制大氣信道對(duì)激光通信的影響，對(duì)實(shí)現(xiàn)大氣信道激光通信具有非常重要的意義。

4 空間激光通信發(fā)展趨勢(shì)

通過(guò)近30年的理論研究、仿真模擬、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、原理樣機(jī)研制、地面演示驗(yàn)證和多個(gè)鏈路的在軌試驗(yàn)，空間激光通信領(lǐng)域呈現(xiàn)出以下兩個(gè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì):

(1)通信速率越來(lái)越高。20世紀(jì)90年代末在空間激光通信發(fā)展初期，主要以快速捕獲和高精度跟蹤(APT)等關(guān)鍵技術(shù)的研究為主，所以初期成功演示驗(yàn)證的激光通信系統(tǒng)的速率僅有2，50和622 Mbps;隨著APT技術(shù)的突破，人們將研究的重心放在提高通信性能指標(biāo)上。為了克服高速率與靈敏度、發(fā)射功率、遠(yuǎn)通信距離等參數(shù)的矛盾，先后研制成功1 550 nm波段的通信分系統(tǒng)(它可同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速率調(diào)制和高功率發(fā)射，主要通過(guò)提高發(fā)射功率來(lái)補(bǔ)償高速率所帶來(lái)的靈敏度下降)和空間相干激光通信分系統(tǒng)(利用相干通信的靈敏度比傳統(tǒng)IM/DD探測(cè)方式高10～20 dB的特點(diǎn))，使空間激光通信的傳輸速率達(dá)到Gbps量級(jí)(見(jiàn)表3)。國(guó)外制定的未來(lái)5～10年空間激光通信計(jì)劃中，其通信速率須達(dá)到5～40 Gbps，根據(jù)鏈路不同，可滿足高分辨率、海量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸要求。

表3 激光通信系統(tǒng)傳輸速率的驗(yàn)證Tab.3 Demonstration of transmission rates for laser communication systems

高速率空間激光通信主要的技術(shù)難點(diǎn)有兩個(gè)方面:

①大氣信道影響

激光經(jīng)過(guò)復(fù)雜大氣信道時(shí)，由于大氣折射率的隨機(jī)起伏，使接收面上光波的振幅及相位隨機(jī)起伏，從而使接收到的光強(qiáng)發(fā)生隨機(jī)起伏，使接收信號(hào)出現(xiàn)光斑漂移、光束擴(kuò)展和像點(diǎn)抖動(dòng)等效應(yīng)，導(dǎo)致激光通信系統(tǒng)通信性能的降低。所以如何抑制大氣信道影響是一個(gè)必須突破的技術(shù)難點(diǎn)。

②激光發(fā)射接收系統(tǒng)

由于技術(shù)和器件的限制，窄線寬、高功率、高速率的激光調(diào)制發(fā)射系統(tǒng)的研制，高速率、低信噪比的微弱信號(hào)探測(cè)與解調(diào)接收系統(tǒng)的研制是另一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。

圖14 美國(guó)TSAT高速信息傳輸空間激光通信組網(wǎng)示意圖Fig.14 Diagram of American TSAT network for highspeed information transmission of laser space communication

(2)從點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信向光通信組網(wǎng)邁進(jìn)。隨著空間激光通信系統(tǒng)性能的不斷提高，空間激光通信逐漸從當(dāng)前的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)單一模式，向中繼轉(zhuǎn)發(fā)和構(gòu)建空間激光通信網(wǎng)絡(luò)方向快速發(fā)展?？紤]天、空、地立體覆蓋和信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，迫切需要將同步靜止軌道、中軌道、低軌道(GEO、MEO、LEO)衛(wèi)星，航天飛機(jī)，宇宙飛船，浮空平臺(tái)，航空平臺(tái)，地面平臺(tái)連接在一起，形成天基信息網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)前已經(jīng)成功開(kāi)展的在軌激光通信演示試驗(yàn)仍然是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)工作模式，而在美國(guó)、日本、歐空局未來(lái)的空間激光通信規(guī)劃中，已將構(gòu)建空天信息網(wǎng)確立為主要研究?jī)?nèi)容。例如:美國(guó)計(jì)劃于2016年實(shí)施TSAT計(jì)劃［10］，向全球部署部隊(duì)提供具有高帶寬的衛(wèi)星通信能力，類(lèi)似于因特網(wǎng)的通信系統(tǒng)。該組網(wǎng)包括星地通信、星星通信、星船通信等，如圖14所示。其中高速率的激光通信是重要的通信手段，通信速率預(yù)計(jì)可達(dá)到10～40 Gbps。該計(jì)劃在2009年因經(jīng)費(fèi)問(wèn)題被暫停，但在2011年又開(kāi)始啟動(dòng)，目標(biāo)是在2015年將衛(wèi)星發(fā)射入軌進(jìn)行一年的演示。

激光通信組網(wǎng)主要的技術(shù)難點(diǎn)有三個(gè)方面:

①一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信的光學(xué)原理。要實(shí)現(xiàn)多顆衛(wèi)星間激光通信組網(wǎng)，必須首先實(shí)現(xiàn)一顆衛(wèi)星上的通信光端機(jī)能夠同時(shí)與多顆衛(wèi)星多個(gè)光端機(jī)同時(shí)互聯(lián)互通，而目前所有的空間激光通信都是一點(diǎn)對(duì)一點(diǎn)的，提出新的光學(xué)原理是第一個(gè)必須突破的技術(shù)難點(diǎn)，也是最主要的技術(shù)難點(diǎn)。

②多點(diǎn)通信的捕獲對(duì)準(zhǔn)跟蹤(APT)技術(shù)。對(duì)于不同軌道、不同方向的多個(gè)通信光端機(jī)同時(shí)達(dá)到ATP精度，這是激光通信的新問(wèn)題，也是必須突破的又一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。

③一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的激光發(fā)射接收技術(shù)。對(duì)于通信接收組件，不僅要繼續(xù)解決地對(duì)比度高、抗干擾背景光等技術(shù)問(wèn)題，而且還要解決多點(diǎn)接收信息的探測(cè)處理等方面。

5 我國(guó)空間激光通信的發(fā)展簡(jiǎn)況

目前我國(guó)已經(jīng)在空間激光通信領(lǐng)域取得了一定成果，這些研究主要是針對(duì)某一特定問(wèn)題而展開(kāi)的，從不同的角度研究激光通信。表4是國(guó)內(nèi)各研究單位在激光通信方面的研究方向。

我國(guó)空間激光通信事業(yè)應(yīng)該把握住時(shí)機(jī)，加大力度突破關(guān)鍵技術(shù)，深入開(kāi)展激光通信系統(tǒng)及應(yīng)用研究，為我國(guó)早日實(shí)現(xiàn)天、空、地一體化激光通信和信息組網(wǎng)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

表4 國(guó)內(nèi)在空間激光通信方面的研究單位和研究方向Tab.4 Research directions of space laser communication for domestic research institutes

［1］李英超，胡源，趙義武，等.發(fā)展空間激光通信，提高對(duì)地觀測(cè)效能［J］.長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，34(1):1-4.LI Y CH，HU Y，ZHAO Y W，et al..Developing space laser communication improve the earth obervation performance［J］.J.Changchun University Sci.Technol.(Natural Science Edition)，2011，34(1):1-4.(in Chinese)

［2］Trends in laser communications in space.Report on International Workshop“GOLCE2010”［R/OL］.(2010-10-10)［2011-11-11］.http://satcom.jp/70/conferencereportsj.pdf.

［3］TOYOSHIMA M.Trends of research and development of optical space communications technology［R/OL］.(2006-09-15)［2011-11-11］.http://www2.nict.go.jp/g/g560/suzuki/SJR/English/e-44/reporte2.pdf.

［4］HEMMATI H.Laser communication component technologies:database;status and trends［J］.SPIE，1996，2699:310-314.

［5］張誠(chéng)，胡薇薇，徐安士.星地光通信發(fā)展?fàn)顩r與趨勢(shì)［J］.中興通訊技術(shù)，2006(2):52-56.ZHANG CH，HU W W，XU A SH.Status and trends of satellite-to-earth optical communications［J］.ZTE Communications，2006(2):52-56.(in Chinese)

［6］李曉峰.星地激光通信鏈路原理與技術(shù)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2007.LI X F.Theory and Technology on the Satellite-to-ground Laser Communication Links［M］.Beijing:National Defense Industry Press，2007.(in Chinese)

［7］野田艷子，邵毅.在空間站上進(jìn)行光通信實(shí)驗(yàn)研究［J］.激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2002，39(1):15-19.YE TIAN Y Z，SHAO Y.Study on optical communication experiment on the space station［J］.Laser Optoelectronics Progress，2002，39(1):15-19.(in Chinese)

［8］左海成.大氣湍流影響下衛(wèi)星光通信探測(cè)光斑分布與定位算法研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.ZUO H CH.Study on detection spot distribution and localization algorithm on optical sallite communication［D］.Harbin:Harbin Institute of Technology，2010.

［9］幺周石.相干激光空間數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)及其多階波前校正研究［D］.成都:電子科技大學(xué)，2010.YAO ZH SH.Coherent data transfer system and multi-order wavefront correction［D］.Chengdu:University of Electronic Science and Technology，2010.

［10］TOYOSHIMA M，YAMAKAWA S，YAMAWAKI T，et al..Ground-to-Satellite optical link test between Japanese laser communications terminal and European geostationary satellite ARTEMIS［J］.SPIE，2004，5338:1-15.