隨著無人技術(shù)的快速發(fā)展，無人機(jī)將會更多的替代有人機(jī)執(zhí)行各種偵察、監(jiān)視、打擊以及信息支援作戰(zhàn)任務(wù)。因此，無人機(jī)對信息傳輸需求也越來越大，然而由于高度依賴通信鏈路，無人機(jī)在戰(zhàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境下容易被干擾甚至欺騙，這已成為制約無人機(jī)快速發(fā)展的一個瓶頸問題。

激光通信的興起

未來無人機(jī)作戰(zhàn)面臨的通信問題和需求主要有：（1）無人機(jī)攜帶更多偵察和遙感載荷帶來的數(shù)據(jù)傳輸需求；（2）無人機(jī)遙控總中心與無人機(jī)飛行控制基地之間的數(shù)據(jù)共享需求；（3）無人機(jī)遙控中心與無人機(jī)之間人機(jī)交互信息的需求；（4）無人機(jī)微波傳輸信息對抗干擾和保密的需求；（5）無人機(jī)與地面遙控的總中心之間的信息實時性交互的需求；（6）無人機(jī)之間的編隊飛行之間的信息共享和戰(zhàn)場單機(jī)突防的信息交互需求。

從上面的需求來看，未來通信技術(shù)需要在保密和抗干擾的前提條件下，通信速率更高，實時性更高，通信距離遠(yuǎn)，現(xiàn)有通信數(shù)據(jù)鏈無法完全滿足要求，激光通信是解決該問題的有效手段之一。激光具有高度的時間和空間相關(guān)性，其振蕩頻率很高，激光頻率（典型如1μm波長）比微波頻率（典型如10GHz） 高約4個數(shù)量級以上。因此，衛(wèi)星的自由空間激光通信相對于微波通信具有如下明顯的優(yōu)點：帶寬大、數(shù)據(jù)傳輸速率高、天線尺寸小、抗干擾保密性好。自由空間激光通信能夠以1%的微波天線面積獲得10～100倍的數(shù)據(jù)傳輸速度，預(yù)期自由空間激光通信能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)數(shù)百千兆比特每秒的傳輸速率，在傳輸同樣高碼率條件下，它還具有體積小、重量輕、功耗低的優(yōu)勢。所以有必要發(fā)展激光通信技術(shù)。無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈重點發(fā)展機(jī)-星激光鏈路，機(jī)-機(jī)間的激光鏈路。

衛(wèi)星激光通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

由于激光通信載荷具有體積小、重量輕、功耗低、通信碼速率高的優(yōu)點，在激光器誕生伊始就預(yù)計衛(wèi)星激光通信是星間通信的前沿課題。為此，歐洲航天局（簡稱歐空局）、日本、美國等技術(shù)先進(jìn)國家和地區(qū)從二十世紀(jì)七、八十年代就開始進(jìn)行激光通信的研究工作，經(jīng)過三十多年的研究，衛(wèi)星激光通信已完成了兩個里程碑的演示驗證工作，進(jìn)入了衛(wèi)星激光通信大發(fā)展的前夜，如圖2所示。這兩次里程碑式的星間演示為：2001年11月21日，歐空局的中繼衛(wèi)星ARTEMIS與法國地球觀測衛(wèi)星SPOT-4之間的50Mbit/s的激光通信試驗。2008年2月，歐空局的低軌合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星TerraSAR-X和美國低軌衛(wèi)星NFIRE之間實現(xiàn)的5.5Gbit/s的相干通信體制的高速通信試驗。第一個里程碑驗證了衛(wèi)星激光通信的快速捕獲和高精度跟蹤技術(shù)的可行性和可靠性；第二個里程碑驗證了高數(shù)據(jù)率傳輸?shù)目尚行院涂煽啃浴?/p>

ARTEMIS衛(wèi)星上的光學(xué)數(shù)據(jù)中繼有效載荷（ODR）是半導(dǎo)體激光器星間鏈路試驗（SILEX）計劃的一部分，其主要任務(wù)是為SPOT-4衛(wèi)星上攜帶的LEO用戶載荷和Artemis衛(wèi)星間提供一條高數(shù)據(jù)率（50Mbit/ s）的星間鏈路。系統(tǒng)前向鏈路速率為2048Kbit/s，返回鏈路速率為50Mbit/s，誤比特率<10-6。ODR有效載荷發(fā)射信號源采用830nm鎵鋁砷（GaAlAs）半導(dǎo)體激光二極管，峰值輸出功率為160mW（連續(xù)輸出功率為60mW），波束寬度為0.0004°；接收器采用硅質(zhì)雪崩光二極管和低噪聲互阻抗放大器，有效接收功率為1.5nW。光信號波長范圍為800～850nm。

基于SOLACOS計劃，德國航天中心DLR開展了一個更為系統(tǒng)的相干體制星間鏈路計劃TerraSAR-X計劃，目標(biāo)是建立一套自由空間的X波段合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)。2002年DLR為研制TerraSAR-X衛(wèi)星上的激光通信載荷開展了LCTSX（Laser Communication Terminal for SAR-X）計劃。2007年6月15日安裝了該載荷的TerraSAR衛(wèi)星成功發(fā)射，2008年3月，美國NFIRE衛(wèi)星與德國TerraSAR-X衛(wèi)星使用激光載荷成功進(jìn)行了空間寬帶數(shù)據(jù)傳輸。相距5000km的兩顆衛(wèi)星建立了激光數(shù)據(jù)傳輸鏈路，以5.6Gbit/s的超高速數(shù)據(jù)傳輸成功地實現(xiàn)了雙向通信。LCTSX載荷可以用來進(jìn)行星間激光通信（德國LEO衛(wèi)星 TerraSAR-X和美國LEO衛(wèi)星NFIRE之間）以及星地激光通信。

以歐洲數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（EDRS）為例，該系統(tǒng)由三顆GEO衛(wèi)星組成，其中一顆中繼星是Alphasat。Alphasat衛(wèi)星寬帶數(shù)據(jù)中繼計劃，將實現(xiàn)低軌觀察衛(wèi)星Sentinel-X與高軌衛(wèi)星Alphasat之間的在軌1.8Gbit/s激光通信，傳輸Sentinel-X 用戶的300Mbit/s寬帶數(shù)據(jù)。同時還將實現(xiàn)Alphasat衛(wèi)星對高軌衛(wèi)星的光學(xué)雙向鏈接和Alphasat衛(wèi)星和地面站的光學(xué)雙向鏈接。實現(xiàn)中繼星間相干通信和星地16-PPM通信實驗。其中星間GEO-LEO光通信采用1064nm相干光通信體制。

除TerraSAR-LCTSX系列相干激光通信終端外，ESA還與瑞士Oerlikon Space公司共同開發(fā)了采用光學(xué)鎖相環(huán)（OPLL）相干接收機(jī)技術(shù)的OPTEL系列星間光通信載荷，成功實現(xiàn)了相干激光通信載荷的系列化。所研制的三種類型的載荷OPTEL02、OPTEL25和OPTEL80，可分別用于短程，中程和長程的星間鏈路。OPTEL25是GEOLEO相干光通信的典型代表。

OPTEL系列載荷采用階梯式泵浦方式，泵浦Nd：YAG激光光纖放大發(fā)射機(jī)及同步零差BPSK探測接收機(jī)。通信波長為1.064μm。

20世紀(jì)80年代中期到1994年間，美國空軍支持麻省理工學(xué)院林肯試驗室研制高速星際激光通信試驗（Laser Intersatellite Transmission Experiment，LITE）裝置是世界上首次采用外差式接收方式的激光通信試驗系統(tǒng)，其目的是驗證相干激光通信的可行性。該試驗采用30mW半導(dǎo)體激光器，200mm口徑的望遠(yuǎn)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)率為220Mbit/s，通信距離為40000km。

2013年年底美國進(jìn)行了月球激光通信鏈路驗證（LLCD），LLCD終端利用NASA“月球大氣和塵埃環(huán)境探測器”（LADEE）和NASA研制的地面終端（將部署在美國西部）之間實施高速率通信。通信速率40～622Mbps，16PPM通信體制，LADEE有效載荷將測試月球軌道與地球之間的激光鏈路。LADEE激光終端正由麻省理工的林肯實驗室建造。

NASA與勞拉公司太空系統(tǒng)分部簽署了一份不尋常的寄宿有效載荷合同，NASA將投資2.3億美元在地球靜止軌道衛(wèi)星和美國境內(nèi)的NASA地面終端之間進(jìn)行激光光學(xué)通信實驗。目前NASA戈達(dá)德航天飛行中心正在建造一個重175kg的激光通信中繼終端（LCRD），該終端將搭載在商業(yè)通信衛(wèi)星上，預(yù)計2016年升空。DPSK調(diào)制解調(diào)，通信速率1.25Gbps，地面雙站接收。

從上面可以看出激光通信在衛(wèi)星太空中的試驗已經(jīng)得到多次驗證，并且已經(jīng)突破了高精度遠(yuǎn)距離的捕獲跟蹤技術(shù)（跟蹤精度3urad，捕獲時間小于3s），高靈敏度激光通信技術(shù)（通信速率5.6Gbps，30光子數(shù)/bit）。已經(jīng)具備任務(wù)載荷的能力，并且計劃空天一體化的通信鏈路的構(gòu)建。

機(jī)載激光通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

歐洲航天局對于飛機(jī)與地面進(jìn)行多次試驗，STROPEX計劃驗證了激光鏈路的2.5Gbps的通信能力，飛機(jī)與地面的捕獲跟蹤建立能力。通信最大距離50km，捕獲跟蹤建立最大距離79km，可以保證在40km以內(nèi)的鏈路實現(xiàn)90%的能力。系統(tǒng)具有1.25Gbps的通信速率，通信時飛機(jī)的最大飛行速度Ma0.7。采用捕獲跟蹤的萬向節(jié)式，飛機(jī)吊艙形式安裝。

德國航天局在2008年進(jìn)行飛機(jī)與地面的激光通信，采用吊艙式安裝，通信距離40～85km，跟蹤精度266urad，通信速率125Mbps，信標(biāo)波長630nm，通信波長850nm。2009年進(jìn)行了飛行驗證試驗。

歐洲同樣進(jìn)行了高空平臺與地面進(jìn)行的激光通信，通信距離63.4km，在22km高度的浮空平臺上面安裝潛望式激光通信終端，通信功耗75W，通信捕獲跟蹤信標(biāo)光波長988nm，通信波長1550nm，整機(jī)質(zhì)量17.5kg。

美國空軍曾在轉(zhuǎn)型通信體系計劃中考慮采用更大容量的激光通信技術(shù)，設(shè)想了采用激光通信的高容量軍事通信衛(wèi)星。然而，該計劃因為成本超支而在2009年被取消。但空間激光通信技術(shù)并未消亡?！八郎瘛睙o人機(jī)制造商與德國Tesat空間通信公司合作，在2013年第四季度初演示“死神”無人機(jī)與衛(wèi)星的激光鏈接。Tesat公司在“阿爾法平臺”衛(wèi)星上放置一個激光終端，用來與無人機(jī)通信。

2012年6月，空軍研究實驗室發(fā)布了一項信息請求，為“未來軍事衛(wèi)星通信需求”尋求空間激光通信終端。美國空軍將繼續(xù)對激光通信技術(shù)的其他方面進(jìn)行投資，空軍研究實驗室即將完成高速陸地激光通信地面終端技術(shù)的有關(guān)研發(fā)工作。

ITT Exelis公司正在獨立從事陸地領(lǐng)域方面的研究工作，提供能部署到在陸地、海洋與空中的軍事平臺上的激光通信節(jié)點。該公司開發(fā)的是移動激光通信技術(shù)。該公司花費7年時間自籌資金研發(fā)“瞄準(zhǔn)捕獲與跟蹤”系統(tǒng)。已經(jīng)在相距130km的目標(biāo)之間實現(xiàn)了每秒30億字節(jié)的空對空鏈路，實現(xiàn)了65km的空對地鏈路和35km的地對地鏈路。因為激光通信必須通視，因此必須具備無線電轉(zhuǎn)發(fā)器的連接節(jié)點，才能在更大的距離和超視距范圍上拓展系統(tǒng)通信范圍。

同樣的，林肯實驗室也進(jìn)行了飛機(jī)與地面進(jìn)行的激光通信，通信范圍覆蓋半徑65km～30km，通信速率2.5Gbps，采用萬向節(jié)伺服跟蹤的方式，通信主要驗證大氣對于波面的影響以及濃霧和水氣比較大的天氣對激光通信的影響情況。

歐美都在進(jìn)行與激光通信技術(shù)相關(guān)的研究，已經(jīng)進(jìn)行若干飛行試驗，受到天氣影響的因素窗口相對比較小。飛機(jī)與地面的激光通信距離在100km以內(nèi)時，通信速率可以達(dá)到Gbps，地面屬于不動站，通信終端的自身采用捕獲跟蹤形式比較可靠。通信期間的飛行基本上屬于穩(wěn)定的平飛狀態(tài)，所以如果激光通信無人機(jī)飛行軌跡和飛行姿態(tài)變化較大，采用激光捕獲跟蹤的形式進(jìn)行通信將會比較困難。

無人機(jī)寬波束激光通信中繼技術(shù)

無人機(jī)通信不同于有人機(jī)間的通信，有人機(jī)之間的通信，為了保證通信未被干擾和截獲，采用窄波束的微波或者激光通信，這樣使得有人機(jī)通信期間的飛機(jī)姿態(tài)的靈活性受限，但可以在飛行員的操控范圍內(nèi)進(jìn)行。而無人機(jī)屬于地面控制的方式或者自主飛行的模式，所以對于無人機(jī)之間的通信采用窄波束通信，容易出現(xiàn)由于無人機(jī)優(yōu)先級高的平臺生存問題使得通信建立保持困難。所以采用寬波束的光學(xué)通信是解決此問題的手段之一。寬波束光學(xué)通信即可以保證無人機(jī)通信鏈路的建立保持健康和可靠，又能保證通信的抗干擾和抗截獲能力提升。

現(xiàn)階段無人機(jī)通信即要保證通信速率高，不被截獲并且通信鏈路可靠和穩(wěn)定，這里存在很多技術(shù)相互掣肘的問題。由于飛機(jī)平臺穩(wěn)定度和微量振動，飛機(jī)姿態(tài)變化靈活，偏航角度變化大，所以采用高精度的衛(wèi)星激光通信技術(shù)，即是不確定區(qū)域捕獲，捕獲牽引到跟蹤，繼而進(jìn)行高精度的跟蹤，跟蹤精度可以達(dá)到2urad。如此高精度的使用使得鏈路可靠性大幅度降低，所以基于此需要新的技術(shù)體制促進(jìn)飛機(jī)間激光鏈路的建立。主要技術(shù)路線如下：

（1） 激光采用高峰值功率的脈沖形式發(fā)射，采用空間位置調(diào)制技術(shù)（PPM），美國月球飛行器與地面采用此種通信方式，通信速率可以達(dá)到622Mbps。

（2） 寬激光波束角發(fā)射，發(fā)射角度初步定為±30°，可以保證覆蓋飛機(jī)偏航角度。

（3） 采用APD雪崩二極管探測，可以使得探測效率大幅度提高，保證技術(shù)的先進(jìn)性，美國在火星對地2.25億千米的激光鏈路中采用此技術(shù)。APD雪崩二極管采用雪崩二極管增加靈敏度，可以大幅度減小接收的激光天線口面，使得飛機(jī)平臺的安裝位置更加靈活。

（4） 在動態(tài)鏈路跟蹤上，必須添加方位伺服機(jī)構(gòu)以保證可以實現(xiàn)360°方位角度的變化，研制階段分兩步，第一步采用成熟電機(jī)的伺服機(jī)構(gòu)進(jìn)行方位跟蹤；第二步采用MEMS光路技術(shù)，使得激光端機(jī)的重量與功耗降低，并且跟蹤更加靈活和閉環(huán)跟蹤帶寬提高。

需要解決的關(guān)鍵技術(shù)有：窄帶激光高靈敏度（-70dBm）接收技術(shù)；寬波束大功率激光通道發(fā)射技術(shù)；寬視場喇叭式激光接收通道技術(shù)；激光脈沖X-PPM的調(diào)制和解調(diào)技術(shù)。

當(dāng)前，工程實現(xiàn)器件方面已經(jīng)成熟，激光器和光學(xué)以及探測方面所需器件的國內(nèi)器件供應(yīng)商已經(jīng)解決，所以可以著手進(jìn)行相關(guān)的產(chǎn)品研制。星載激光端機(jī)條件已經(jīng)具備，可以開展無人機(jī)與衛(wèi)星激光通信，無人機(jī)與地面以及無人機(jī)與無人機(jī)之間的實驗驗證，最終形成完整的無人機(jī)中繼激光通信數(shù)據(jù)鏈。

結(jié)束語

未來無人機(jī)執(zhí)行遠(yuǎn)程、遠(yuǎn)海作戰(zhàn)任務(wù)，依靠衛(wèi)星微波通信中繼一方面無法滿足大容量通信需求，另一方面抗干擾、抗截獲能力弱，急需發(fā)展新體制中繼通信技術(shù)，激光通信是最有前景的技術(shù)解決手段。國外激光通信發(fā)展從70年代開始IM/ DD激光通信的研究，現(xiàn)在已經(jīng)開始發(fā)展飛機(jī)與衛(wèi)星以及飛機(jī)與飛機(jī)之間的通信鏈路，其關(guān)鍵是跟蹤瞄準(zhǔn)技術(shù)。國內(nèi)的跟蹤瞄準(zhǔn)技術(shù)以西安分院構(gòu)建的激光通信演示驗證平臺為先河，緊跟國外先進(jìn)技術(shù)，沒有顯著技術(shù)代差。因此，開展無人機(jī)激光通信中繼技術(shù)研究具有顯著的軍事效益和經(jīng)濟(jì)效益。

（責(zé)任編輯：王瀟一）