孫建鋒

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天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)激光通信系統(tǒng)發(fā)展設(shè)想

孫建鋒

（中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所，上海 201800）

空間激光通信技術(shù)具有通信速率高、保密性好、抗干擾能力強等優(yōu)點，成為近年來的研究熱點，并相繼在天基信息網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛應(yīng)用。首先對國際激光通信技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢進(jìn)行了分析，然后從我國天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的需求出發(fā)，對不同的應(yīng)用場景上的激光通信系統(tǒng)進(jìn)行了分析，提出了我國天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)激光通信系統(tǒng)發(fā)展的建議。

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)；空間激光通信；鏈路能力；通信體制

1 引言

隨著空間技術(shù)的發(fā)展，人類活動越來越多地從地面向太空發(fā)展。截至2017年4月，全球在軌衛(wèi)星1 000多顆，其中美國在軌衛(wèi)星549顆；中國在軌衛(wèi)星139顆，超過俄羅斯8顆，僅次于美國。到2020年，中國在軌衛(wèi)星數(shù)量將超過200顆。光學(xué)成像衛(wèi)星、高光譜衛(wèi)星、SAR衛(wèi)星、紅外成像衛(wèi)星等，每時每刻都在產(chǎn)生巨大數(shù)據(jù)，目前基于微波的技術(shù)手段已成為數(shù)據(jù)傳輸瓶頸，急需發(fā)展新型的信息傳輸技術(shù)手段，而激光通信技術(shù)是未來寬帶遠(yuǎn)距通信的發(fā)展趨勢。

2001年，歐洲太空局（ESA）的SILEX計劃成功開展了國際上首次星間激光通信技術(shù)的在軌演示，通信速率為50 Mbit/s，采用強度調(diào)制/直接探測通信體制，該計劃驗證了星間激光通信技術(shù)的可行性，具有劃時代的意義[1-12]。隨后在2007年底，德國宇航局（DLR）TerraSAR-X衛(wèi)星實現(xiàn)了與美國NFIRE衛(wèi)星之間的相干激光通信在軌試驗，通信速率達(dá)到5.6 Gbit/s，采用相位調(diào)制/相干探測通信體制。隨后美國、中國和日本都相繼開展了激光通信的在軌試驗[13-22]。

在經(jīng)歷數(shù)次試驗之后，各國均推出了自己的空間激光通信計劃，具有代表性的包括ESA的EDRS計劃、美國的LCRD計劃、日本的JDRS計劃，這標(biāo)志著激光通信從試驗階段正式轉(zhuǎn)入應(yīng)用階段。

2 空間激光通信系統(tǒng)的性能評價

空間激光通信系統(tǒng)與地面光纖通信系統(tǒng)既有相通點，也有很大的差異。主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

? 鏈路距離長且無中繼。空間激光通信鏈路距離都在幾千千米以上，甚至可達(dá)數(shù)萬千米，鏈路損耗巨大。空間激光通信鏈路不像光纖通信鏈路那樣可以采用中繼放大和信號再生的方法進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，因此不僅對激光終端信號接收的靈敏度要求非常高，而且對發(fā)射信號光功率要求也非常高。

? 通信鏈路無色散?？臻g激光通信鏈路為真空和大氣，無色散或者色散很小，相比光纖通信鏈路，主要解決的就是光纖的色散、損耗、非線性等問題，因此為了提升通信速率，通信體制逐漸從強度調(diào)制/直接探測向相位調(diào)制/相干探測通信體制轉(zhuǎn)變。

表1 幾種典型的激光通信鏈路的性能對比

? 體積、重量和功耗資源要求苛刻。衛(wèi)星平臺載荷不同于地面設(shè)備，資源要求苛刻，需要在有限的資源消耗情況下實現(xiàn)綜合性能的最優(yōu)化設(shè)計。

? 背景光噪聲影響大。光纖通信鏈路是封閉系統(tǒng)，不存在外部背景光噪聲的影響。但空間激光通信系統(tǒng)鏈路是開放的，不僅存在背景光干擾，而且還是動態(tài)變化的，這一點在設(shè)計時應(yīng)當(dāng)給予充分重視。

評價一個空間激光通信系統(tǒng)不能簡單地以通信速率進(jìn)行，按照國際認(rèn)可的評價標(biāo)準(zhǔn)，激光鏈路的性能可以用通信速率乘以鏈路距離的平方進(jìn)行表征：

其中，為鏈路性能，單位為Gbit/s?106km2，R為通信速率，單位為Gbit/s，為鏈路距離，單位為103km。表1列出了幾種典型的激光通信鏈路的性能對比。

從表1可以看出，中繼衛(wèi)星激光通信鏈路的鏈路性能指標(biāo)要求最高，因此采用相干通信體制是唯一的選擇。而對于低軌衛(wèi)星星座，由于鏈路性能指標(biāo)較低，需要從成本和資源兩個方面決定選擇何種通信體制。深空通信系統(tǒng)對靈敏度要求極高，并且接收系統(tǒng)往往在地面，對資源約束相對寬松，此時采用單光子探測技術(shù)是最佳選擇。

3 空間激光通信系統(tǒng)的“三化”設(shè)計

空間激光通信系統(tǒng)是復(fù)雜的光機(jī)電熱一體化載荷，按照傳統(tǒng)研制思路，各自為政，很難形成產(chǎn)能和實現(xiàn)組網(wǎng)。因此天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)激光系統(tǒng)需按照標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化的要求進(jìn)行設(shè)計。

空間激光通信鏈路按照不同的應(yīng)用場景，可以分解為如下幾類，見表2。

在表2中的通信鏈路中，包括了星間和星地激光通信鏈路，其中LEO-Ground的激光鏈路由于通信距離短，不太適合未來的激光數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用。因此重點分析其他幾個應(yīng)用場景。

根據(jù)幾類鏈路類型，涉及幾種激光通信系統(tǒng)，見表3。

表2 激光通信鏈路分類

表3 天基信息網(wǎng)涉及的激光通信系統(tǒng)

4 空間激光通信系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展趨勢

4.1 激光通信波長選擇

目前，國際上實現(xiàn)在軌驗證的激光通信波段有3個：800 nm、1 064 nm和1 550 nm。從長遠(yuǎn)的波長選擇上看，激光波長會向短波方向發(fā)展，但是實際應(yīng)用波長需要綜合考慮現(xiàn)有的技術(shù)現(xiàn)狀。制約激光通信波長向短波方向發(fā)展的主要因素包括以下兩個方面。

? 激光光源水平?？臻g激光通信要求光源為單模光源，并且實現(xiàn)遠(yuǎn)距離空間激光通信要求光源的功率需要達(dá)到W級以上，目前能達(dá)到這個量級的光源只有532 nm、1 064 nm和1 550 nm 3個波段?？紤]到1 550 nm波段器件商業(yè)化更為成熟，短期1 550 nm波段更具競爭力。

? 激光終端光跟瞄水平。與光纖通信不同，空間激光通信需要高精度的跟瞄建立通信鏈路，激光波長越短，激光發(fā)散角越小。以532 nm波長為例，250 mm的望遠(yuǎn)鏡的光束發(fā)散角約為5.2 urad左右，因此要求光跟瞄的精度達(dá)到0.52 urad。目前的光跟瞄精度還很難達(dá)到這個水平，與目前光跟瞄水平相匹配的波長是1 064 nm和1 550 nm兩個波段。

綜合上面兩點因素，目前適合我國天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的波長為1 550 nm波段。

4.2 激光通信技術(shù)體制選擇

激光通信技術(shù)體制分為相干通信體制和非相干通信體制兩大類。對于高速激光通信系統(tǒng)，合適的調(diào)制方式有OOK、BPSK、DPSK、QPSK等幾種。根據(jù)表1的激光鏈路性能，當(dāng)>1 000 Gbit/s?106km2時，選擇相干激光通信體制更為合適；當(dāng)<1 000 Gbit/s?106km2時，可以選擇相干通信體制，也可以選擇非相干通信體制。

對應(yīng)于天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)，高軌寬帶骨干網(wǎng)應(yīng)采用相干激光通信體制，低軌用戶接入網(wǎng)可以采用相干通信體制，也可以采用非相干通信體制。如果要求全天時不間斷工作，應(yīng)采用相干通信體制。

4.3 激光跟瞄技術(shù)發(fā)展趨勢

激光跟瞄技術(shù)主要用于克服衛(wèi)星平臺的微振動和軌道相對運動的影響。隨著激光跟瞄水平的提升，平臺的振動抑制從最早的主被動隔振結(jié)合已經(jīng)發(fā)展到目前的主動隔振。激光跟瞄技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢見表4。

表4 激光跟瞄技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

4.4 空間組網(wǎng)激光通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

目前在軌空間激光通信系統(tǒng)均采用的是單用戶激光通信終端，這種激光通信終端對于用戶接入非常不利。近年來，以長春理工大學(xué)為代表的研究團(tuán)隊開展了多用戶激光通信終端的研究。

4.5 激光通信測量一體化技術(shù)

天地一體化激光通信系統(tǒng)的速率均在1 Gbit/s以上，通過通信碼片相關(guān)測距和碼片相位精密測量，可以在不影響通信性能的前提下實現(xiàn)毫米級激光測距的精度。通過雙向單程測量方法，還可以實現(xiàn)不同衛(wèi)星平臺之間的時間同步。通過通信鏈路的時鐘恢復(fù)技術(shù)，可以實現(xiàn)衛(wèi)星平臺之間的高精度頻率傳遞。

表5 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)激光通信鏈路

利用通信測量一體化技術(shù)，在實現(xiàn)時間同步和頻率傳遞的基礎(chǔ)上，可以借助全球眾多的通信衛(wèi)星，實現(xiàn)全球的高覆蓋、高精度導(dǎo)航定位。

5 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)激光通信系統(tǒng)建議

通過前面的對比和梳理，結(jié)合天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)需求，建議空間激光通信鏈路的終端和性能指標(biāo)見表5。

6 結(jié)束語

經(jīng)過近30年的發(fā)展，空間激光通信技術(shù)已經(jīng)從原理概念驗證到實際工程應(yīng)用階段，各種通信體制百花齊放，包括OOK、BPSK、DPSK、QPSK等，主流通信波長也有1 550 nm和1 064 nm兩個波段。激光通信終端有兩個發(fā)展趨勢：激光終端根據(jù)應(yīng)用場景不同更加細(xì)分化和專業(yè)化，如寬帶骨干網(wǎng)激光終端和低軌用戶接入網(wǎng)激光終端；激光終端功能多元化，激光終端具備了調(diào)制和解調(diào)功能，因此目前激光終端由單一功能向激光通信、激光測距、激光成像等多功能復(fù)合。隨著我國天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的逐步實施，空間激光通信技術(shù)必將發(fā)揮越來越大的作用。

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Development of laser communication system in space-ground integrated information network

SUN Jianfeng

Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China

The space laser communication technology has the advantages of high communication speed, good confidentiality and strong anti-interference ability, and has become a research hot spot in recent years and has been widely used in the space-based information network one after another. First of all, the development trend of international laser communication technology was analyzed. Then based on the demand of our country’s space-ground integrated information network, the laser communication system on different application scenarios was analyzed, and the suggestion of the development of laser communication system in space-ground integrated information network was put forward.

space-ground integrated information network, space laser communication, link ability, communication system

TN929.13

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2017319

2017?11?10；

2017?12?06

孫建鋒（1978?），男，博士，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研究員，主要從事激光通信及相干激光雷達(dá)方面的研究工作。