高鐸瑞，李天倫，孫 悅，汪 偉，胡 輝，孟佳成，鄭運(yùn)強(qiáng)，謝小平

(中國(guó)科學(xué)院 西安光學(xué)精密機(jī)械研究所 瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710119)

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侄蝃1-6]。激光通信終端具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低等特點(diǎn)，非常適合作為衛(wèi)星有效載荷，能夠滿足航天活動(dòng)日益增長(zhǎng)的通信需求。美國(guó)、歐洲、日本等對(duì)空間激光通信系統(tǒng)所涉及的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)了全面深入的研究，已開(kāi)發(fā)出多套衛(wèi)星激光通信終端，并成功完成多項(xiàng)在軌試驗(yàn)，技術(shù)基本成熟，已經(jīng)開(kāi)始規(guī)劃建設(shè)可覆蓋全球的天基激光通信網(wǎng)絡(luò)[7-13]。本文在總結(jié)空間激光通信最新研究進(jìn)展基礎(chǔ)上，對(duì)空間激光通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了深入分析。

2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外空間激光通信技術(shù)近年來(lái)取得飛速發(fā)展，主要研究機(jī)構(gòu)有美國(guó)NASA JPL(噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室)、NASA GSFC(哥達(dá)德太空飛行中心)、麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室、加州理工大學(xué)；歐洲的ESA(歐空局)、德國(guó)空間中心、法國(guó)國(guó)防部采辦局；日本的JAXA(日本航天局)、NICT(日本國(guó)家信息通信技術(shù)研究所)等，表1總結(jié)了國(guó)內(nèi)外空間激光通信演示計(jì)劃。

表1 空間激光通信演示計(jì)劃

2.1 美國(guó)

(1)激光通信中繼演示驗(yàn)證(LCRD)

LCRD是美國(guó)開(kāi)展的空間高速光通信演示驗(yàn)證項(xiàng)目，目的是驗(yàn)證空間激光通信鏈路與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。預(yù)計(jì)2019年中期搭載空間實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星STPSat-6發(fā)射升空，主要開(kāi)展GEO-地面站之間的雙向激光通信試驗(yàn)，即地面站-GEO-地面站的中繼激光通信試驗(yàn)[14-15]。LCRD可提供在軌壽命2年的高速激光通信服務(wù)。該項(xiàng)目由NASA GSFC、NASA JPL、麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開(kāi)發(fā)。

LCRD任務(wù)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，由2個(gè)星上激光通信終端，2個(gè)光學(xué)地面站(一個(gè)位于夏威夷，一個(gè)位于加州)構(gòu)成。主要參數(shù)：通信速率2.88 Gbps，通信制式兼容DPSK和PPM，通信距離45 000 km。

圖1 LCRD任務(wù)結(jié)構(gòu)圖 Fig.1 Block diagram of LCRD mission

LCRD空間載荷包括2個(gè)獨(dú)立的激光通信終端(OST)，分別與地面站或飛行平臺(tái)建立激光通信鏈路；空間交換單元(SSU)管理LCRD載荷的控制、數(shù)據(jù)路由和遙控遙測(cè)指令。每個(gè)OST由光學(xué)模塊(OM)、調(diào)制解調(diào)器和電控箱(CE)構(gòu)成，載荷的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

光學(xué)模塊(OM)包括1個(gè)口徑為10.8 cm的卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡和1個(gè)兩軸萬(wàn)向節(jié)，發(fā)射和接收的光信號(hào)通過(guò)單模光纖與望遠(yuǎn)鏡耦合。

調(diào)制解調(diào)器支持PPM和DPSK信號(hào)，調(diào)制速率為2.88 Gbps，能夠產(chǎn)生測(cè)試數(shù)據(jù)幀，同時(shí)具備自測(cè)功能，可以完成校準(zhǔn)、內(nèi)部回環(huán)測(cè)試。

電控箱(CE)包含光學(xué)載荷的指向、捕獲、跟蹤(PAT)軟件，接收來(lái)自O(shè)M的反饋信號(hào)，生成PAT軟件的控制信號(hào)，支持光軸校準(zhǔn)和其他功能。

空間交換單元(SSU)是有效載荷的中央控制器。SSU將接收和路由用戶數(shù)據(jù)，接收和處理有效載荷命令，并累積和傳輸有效載荷遙測(cè)信息。從一個(gè)空間通信終端接收到的用戶數(shù)據(jù)，可以在SSU內(nèi)部路由到兩個(gè)目的端口。

據(jù)最新報(bào)道稱，LCRD各單元設(shè)計(jì)、加工裝調(diào)已完成(如圖3)，正在進(jìn)行空間環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)。預(yù)計(jì)2018年6月，各有效載荷將運(yùn)送至航天器。

(2)集成的激光通信終端(ILLUMA-T)

該項(xiàng)目是對(duì)LCRD計(jì)劃的拓展，NASA計(jì)劃發(fā)展低成本的近地集成ILLUMA-T終端，預(yù)計(jì)2021年初發(fā)射至國(guó)際空間站(ISS)，目的是建立GEO-LEO之間的雙向通信鏈路，完成ISS-LCRD-地面站空間組網(wǎng)，如圖4所示[16]。通信速率為2.88 Gbps，通信制式兼容DPSK和PPM，終端質(zhì)量小于30 kg，功耗為100 W，每個(gè)終端成本預(yù)計(jì)達(dá)500萬(wàn)美元。

圖2 有效載荷單元子系統(tǒng) Fig.2 Payload element subsystems

圖3 LCRD各單元實(shí)物圖 Fig.3 Images of LCRD parts

ILLUMA-T項(xiàng)目的主要目標(biāo)如下：

(a)使用集成電子/光電子技術(shù)，減小了航天調(diào)制解調(diào)器的體積、重量、功耗和價(jià)格。

(b)使集成化的LEO空間調(diào)制解調(diào)器形成產(chǎn)業(yè)鏈。

(3)深空光通信(DSOC)

2023年，NASA計(jì)劃發(fā)射一顆探索性金屬衛(wèi)星Psyche，在火星和木星之間運(yùn)行，并搭載激光通信終端DSOC，進(jìn)行一系列深空激光通信試驗(yàn)，通信距離為5 500萬(wàn)千米[17-18]。

系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示，在深空航天器上搭載了一個(gè)口徑為22 cm、發(fā)射波長(zhǎng)為1 550 nm、平均激光功率為4 W的深空激光通信終端，最大通信速率可支持267 Mbps的串聯(lián)脈沖位置調(diào)制(SCPPM)。

地面激光發(fā)射機(jī)采用位于加利福尼亞州桌山的1 m直徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。激光信號(hào)波長(zhǎng)為1 064 nm，最大平均功率達(dá)到5 kW。地面信標(biāo)光作為深空激光通信終端的指向參考，其可調(diào)制2 kbps的LDPC編碼數(shù)據(jù)。

地面激光接收機(jī)采用位于加利福尼亞州帕洛馬山的5 m直徑海爾望遠(yuǎn)鏡，收集下行鏈路微弱的深空光信號(hào)。使用具有信號(hào)處理功能的改進(jìn)型單光子探測(cè)器組件對(duì)接收到的碼字進(jìn)行同步、解調(diào)和解碼。

圖4 ILLUMA-T演示示意圖及終端圖片 Fig.4 ILLUMA-T demonstration and laser communication terminal

該項(xiàng)目預(yù)計(jì)2018年～2019年進(jìn)行地面試驗(yàn)測(cè)試，2023年搭載衛(wèi)星Psyche發(fā)射，2026年運(yùn)行至工作軌道。

2.2 歐洲

(1)歐洲數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)(EDRS)

歐洲數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)(EDRS)包括3顆GEO衛(wèi)星，每個(gè)衛(wèi)星都搭載激光通信有效載荷(EDRS-A、EDRS-C、EDRS-D)，以實(shí)現(xiàn)星際信息傳輸，如圖6所示(左)[19]。EDRS使得歐洲不再依賴于他國(guó)第三方基站進(jìn)行空間數(shù)據(jù)高速傳輸，解除了歐洲信息傳輸獨(dú)立性的潛在戰(zhàn)略性危機(jī)。

2016年1月，EDRS的首個(gè)激光通信數(shù)據(jù)中繼有效載荷EDRS-A寄宿在“歐洲通信衛(wèi)星”(Eutelsat)9B上進(jìn)入地球靜止軌道。EDRS-A包含一個(gè)用于光學(xué)星間鏈路的激光通信終端(LCT)和一個(gè)用于星地鏈路的Ka波段無(wú)線電發(fā)射機(jī)。同年6月，EDRS-A與LEO衛(wèi)星“哨兵-1A”進(jìn)行了激光通信，接收了來(lái)自“哨兵-1A”的圖片數(shù)據(jù)，然后通過(guò)Ka波段無(wú)線電發(fā)射機(jī)回傳至地面，地面接收到的圖片如圖6所示(右)[20]。ESA擬在2018年發(fā)射EDRS-C，在2020年補(bǔ)充第三顆衛(wèi)星EDRS-D構(gòu)成“全球網(wǎng)”，從而實(shí)現(xiàn)全球數(shù)據(jù)中繼服務(wù)。

圖6 EDRS演示系統(tǒng)與EDRS-A接收的圖片 Fig.6 EDRS demonstration system and EDRS-A receiving image

該星際LCT是前期德國(guó)TerraSAR X衛(wèi)星與美國(guó)NFIRE衛(wèi)星所搭載的LCT的升級(jí)版，通過(guò)增加激光發(fā)射功率、增加接收光學(xué)口徑和適當(dāng)降低通信速率來(lái)補(bǔ)償長(zhǎng)距離引起的大空間損耗。其主要性能指標(biāo)為：通信距離為4.5萬(wàn)千米，激光發(fā)射功率為5 W，接收發(fā)射天線口徑為135 mm，通信速率為1.8 Gbps，通信制式BPSK，激光波長(zhǎng)為1 064 nm。

(2)OPTEL-μ

2018年1月，RUAG Space公司將發(fā)射一顆名為OPTEL-μ的微型激光通信終端至LEO。該系統(tǒng)由低軌道微型空間終端和地面終端組成，如圖7所示。項(xiàng)目啟動(dòng)于2010年，目的是將LEO衛(wèi)星上產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以2.5 Gbps的速率傳輸?shù)焦鈱W(xué)地面站[21-22]。微型空間終端的設(shè)計(jì)遵循輕小型、穩(wěn)定型和多功能的原則，為各種低軌道小衛(wèi)星平臺(tái)服務(wù)。該終端的重量為8 kg、體積為8 L、功耗為45 W。

圖7 OPTEL-μ演示系統(tǒng) Fig.7 OPTEL-μ demonstration system

OPTEL-μ終端設(shè)計(jì)采用模塊化方法，由光學(xué)頭單元(OH，位于航天器外部的最低點(diǎn)面板上)、激光單元(LU，位于航天器內(nèi)部)和電子單元(EU，位于航天器內(nèi)部)3個(gè)功能單元構(gòu)成，OH、LU和EU通過(guò)電纜和光纖相互連接。

光學(xué)頭單元(OH)完成PAT的功能，確保衛(wèi)星通過(guò)地面站期間光通信鏈路的建立與維持。OH的設(shè)計(jì)如圖8所示，其中OH通過(guò)航天器面板上的切口安裝。OH的主要物理參數(shù)如下：質(zhì)量為4.4 kg，體積為204 mm×238 mm×226 mm。

圖8 OH設(shè)計(jì)圖 Fig.8 Optical head design

電子單元(EU)提供了完備的電氣功能和性能來(lái)操作和控制OPTEL-μ終端，設(shè)計(jì)圖如圖9所示。EU由終端控制器、通信電子單元(TCU)、RF模塊(RFM)和功率調(diào)節(jié)單元(PCU)組成。EU的主要物理參數(shù)如下：質(zhì)量為1.8 kg，體積為207 mm×227 mm×65 mm。

激光單元(LU)由脈沖激光發(fā)射模塊和光放大模塊兩個(gè)獨(dú)立部分組成，兩個(gè)模塊使用光纖連接，如圖10所示。激光發(fā)射模塊由1 544 nm和1 565 nm兩個(gè)獨(dú)立的光通道構(gòu)成，分別調(diào)制1.25 Gbps的OOK信號(hào)。光放大模塊集成了兩個(gè)獨(dú)立的光纖放大器。LU的主要物理參數(shù)如下：質(zhì)量為1.6 kg(PLT 0.9 kg；OFA 0.7 kg)，體積為218 mm×115 mm×61 mm，OFA 158 mm×165 mm×24 mm。

圖9 EU設(shè)計(jì)圖 Fig.9 Electronics board configuration

圖10 激光發(fā)射模塊和光放大模塊設(shè)計(jì)圖 Fig.10 Pulsed laser transmitter and optical fiber amplifier design

地面終端采用0.6 m口徑的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，發(fā)射1 064 nm、25 kbps 16-PPM調(diào)制的上行光信號(hào)。

(3)OPTEL-D

圖11 OPTEL-D演示系統(tǒng) Fig.11 OPTEL-D demonstration system

2020年10月，ESA計(jì)劃發(fā)射一顆衛(wèi)星執(zhí)行Asteroid Impact Mission(AIM計(jì)劃)，探索Didymos雙星，防御行星碰撞地球[23]，并搭載RUAG Space公司研制的深空激光通信終端OPTEL-D執(zhí)行深空激光通信任務(wù)，回傳行星圖像信息，演示系統(tǒng)如圖11所示。OPTEL-D是RUAG Space公司花費(fèi)了15年時(shí)間專門(mén)為深空激光通信設(shè)計(jì)的，兼具激光測(cè)距功能。表2列出了AIM光通信系統(tǒng)的主要參數(shù)。

表2 AIM光通信系統(tǒng)的主要參數(shù)

OPTEL-D終端原理框圖如圖12所示。該終端的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡采用消像散離軸反射式望遠(yuǎn)鏡(口徑135 mm、視場(chǎng)±0.3°)，并在前面引入單鏡面粗指向裝置(CPA)，CPA可以在方位(±90°)和垂直(±10°)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，確保行星表面到地球的激光鏈路持續(xù)穩(wěn)定工作。內(nèi)部加入慣性偽星參考單元(IPSRU)，其發(fā)射出的光束與來(lái)自地球的信標(biāo)光相疊加，用以消除平臺(tái)震動(dòng)，提高終端的下行指向能力。提前瞄準(zhǔn)裝置(PAA)用以提供預(yù)判性的精準(zhǔn)指向和跟瞄，這主要用于克服星間相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)光束捕獲帶來(lái)的阻礙。

圖12 OPTEL-D終端原理設(shè)計(jì)圖及CPA結(jié)構(gòu)圖 Fig.12 Design schematic of OPTEL-D terminal and configuration of CPA

2.3 日本

(1)日本數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星(JDRS)

為了滿足日益增長(zhǎng)的高速數(shù)據(jù)傳輸需求，JAXA著手開(kāi)發(fā)一種新的光學(xué)數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星JDRS，通過(guò)衛(wèi)星間光鏈路和Ka波段饋線鏈路提供1.8 Gbps數(shù)據(jù)中繼服務(wù)。JDRS目前處于初步設(shè)計(jì)階段，計(jì)劃于2019年發(fā)射。該項(xiàng)目的任務(wù)不僅是開(kāi)發(fā)GEO光學(xué)終端，還包括地面設(shè)施和LEO光學(xué)終端。LEO光學(xué)終端將搭載在JAXA的光學(xué)觀測(cè)衛(wèi)星“先進(jìn)光學(xué)衛(wèi)星”(Advanced Optical Satellite)上，同樣計(jì)劃于2019年發(fā)射[24-25]。光數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)的演示將在這兩顆衛(wèi)星之間進(jìn)行，如圖13所示。計(jì)劃的任務(wù)期限是10年，在此期間，JDRS還將支持與JAXA的其他LEO航天器間的通信。

圖13 JDRS演示系統(tǒng)示意圖 Fig.13 JDRS demonstration system

主要技術(shù)指標(biāo)如表3所示，其中返回方向是指從LEO衛(wèi)星通過(guò)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星返回地面站，前向是相反的。關(guān)鍵技術(shù)規(guī)格如下。

表3 JDRS和光學(xué)數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格

*光鏈路和饋線鏈路的總誤碼率.

(2)先進(jìn)激光儀器高速通信(HICALI)

NICT已經(jīng)啟動(dòng)HICALI(High speed Communication with Advanced Laser Instrument)項(xiàng)目，以促進(jìn)下一代空間激光通信技術(shù)研究。該項(xiàng)目的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)10 Gbps量級(jí)，從地球同步衛(wèi)星到光學(xué)地面站(OGS)的空間激光通信，通信波長(zhǎng)為1 550 nm[26-27]。該激光通信終端將于2021年搭載高吞吐量衛(wèi)星(HST)發(fā)射至地球同步軌道。圖14顯示了HICALI項(xiàng)目的示意圖，它不僅將搭載HICALI終端，還將搭載射頻(RF)終端。

HICALI項(xiàng)目的主要目標(biāo)如下：

(1)在軌驗(yàn)證首次10 Gbps量級(jí)GEO到OGS的激光通信；

(2)在軌驗(yàn)證新型光調(diào)制/解調(diào)方法；

(3)在軌驗(yàn)證新型高速光學(xué)器件可靠性；

(4)激光束傳播數(shù)據(jù)的獲取和在軌實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)積累。

HICALI項(xiàng)目于2014年進(jìn)行了可行性研究，確定了關(guān)鍵部件：采用波分復(fù)用(WDM)技術(shù)的器件、光延遲線干涉儀、可調(diào)諧激光器組件(ITLAs)和高速數(shù)字處理器件等。

圖14 HICALI演示系統(tǒng)示意圖 Fig.14 HICALI demonstration system

3 空間激光通信發(fā)展趨勢(shì)

空間激光通信技術(shù)近年來(lái)飛速發(fā)展，許多技術(shù)難題逐步被攻克。例如，快速高精度指向、捕獲、跟蹤(PAT)技術(shù)，大氣湍流效應(yīng)抑制及補(bǔ)償技術(shù)，窄線寬大功率激光發(fā)射技術(shù)、低噪聲光放大技術(shù)和高靈敏度DPSK/BPSK/QPSK光接收技術(shù)等。這些技術(shù)難題的攻克，為實(shí)現(xiàn)星際激光通信奠定了基礎(chǔ)。縱觀空間光通信技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，呈現(xiàn)以下趨勢(shì)。

3.1 高速化

近年來(lái)空間激光通信的迅速發(fā)展主要表征在速率方面，各國(guó)提出的計(jì)劃有：

(1)2016年，歐洲發(fā)射了數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)EDRS的第一顆衛(wèi)星EDRS-A，實(shí)現(xiàn)了在4.5萬(wàn)千米下速率1.8 Gbps的BPSK激光通信。

(2)2019年，日本計(jì)劃發(fā)射數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星JDRS，進(jìn)行高軌衛(wèi)星對(duì)低軌衛(wèi)星的激光通信及中繼驗(yàn)證，采用DPSK通信制式，通信速率為1.8 Gbps。

(3)2019年，美國(guó)計(jì)劃實(shí)施激光中繼演示驗(yàn)證LCRD，進(jìn)行高軌對(duì)地面的激光通信，采用DPSK通信制式，通信速率為2.88 Gbps。

(4)2021年，日本計(jì)劃開(kāi)展HICALI項(xiàng)目，促進(jìn)下一代激光通信技術(shù)研究，并在LEO軌道上驗(yàn)證10 Gbps級(jí)激光通信。

如圖15所示，空間激光通信從最初的2 Mbps、125 Mbps、622 Mbps，一直發(fā)展到1.8 Gbps、2.8 Gbps、10 Gbps，未來(lái)將達(dá)到40 Gbps、100 Gbps。

圖15 空間激光通信高速化示意圖 Fig.15 Schematic of high-speed space laser communication development

高速空間激光通信的主要優(yōu)點(diǎn)是大容量實(shí)時(shí)信息傳輸，主要難點(diǎn)是高速率光發(fā)射以及高靈敏度接收等關(guān)鍵技術(shù)。主要技術(shù)途徑包括高階調(diào)制技術(shù)(QPSK/DQPSK/M-QAM等)、光復(fù)用技術(shù)(波分/時(shí)分/偏振/軌道角動(dòng)量等)、高靈敏度相干接收技術(shù)等。

3.2 深空化

近地激光通信已經(jīng)做了大量演示驗(yàn)證試驗(yàn)，NASA和ESA現(xiàn)已將深空激光通信列入研究計(jì)劃，激光通信將成為深空探測(cè)活動(dòng)的主要通信方式。

(1)2013年，美國(guó)實(shí)施了深空激光通信項(xiàng)目的第一步月球激光通信驗(yàn)證(LLCD)，實(shí)現(xiàn)了月球?qū)Φ?0萬(wàn)千米的長(zhǎng)距離激光通信，為接下來(lái)更遠(yuǎn)距離的深空通信做準(zhǔn)備。

(2)2020年，歐洲計(jì)劃執(zhí)行AIM計(jì)劃，搭載激光通信終端OPTEL-D，進(jìn)行7 500萬(wàn)千米超遠(yuǎn)距離激光通信。

(3)2023年，美國(guó)計(jì)劃發(fā)射繞火星軌道的深空激光通信終端DSOC，進(jìn)行5 500萬(wàn)千米火星對(duì)地球的深空激光通信。

深空激光通信的主要優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)月球、火星、木星等超遠(yuǎn)距離深空探測(cè)任務(wù)信息的回傳，主要難點(diǎn)是高功率光發(fā)射以及高靈敏度接收等關(guān)鍵技術(shù)。主要技術(shù)途徑包括超高功率光發(fā)射技術(shù)、大口徑光學(xué)天線技術(shù)、高靈敏度單光子探測(cè)技術(shù)等。

3.3 集成化

美國(guó)、歐洲和日本近年來(lái)都在發(fā)展集成化、輕量化、小型化的激光通信終端，搭載于小型LEO衛(wèi)星上。

(1)2014年日本NICT研制了超小型LEO激光通信終端SOTA，整個(gè)終端質(zhì)量小于5.9 kg，功耗小于40 W。

(2)2018年，日本NICT計(jì)劃發(fā)射超小型激光通信終端VSOTA，運(yùn)行于太陽(yáng)同步軌道，終端質(zhì)量小于1 kg，功耗小于10 W。

(3)2018年，歐洲計(jì)劃發(fā)射OPTEL-μ微型激光通信終端至LEO，OPTEL-μ終端的設(shè)計(jì)滿足輕小型、穩(wěn)定型和多功能的要求，重量為8 kg、體積為8 L、功耗為45 W。

(4)2023年，美國(guó)NASA計(jì)劃發(fā)射光子集成ILLUMA-T終端至ISS，通信收發(fā)機(jī)采用光電子集成技術(shù)，終端重量小于30 kg，功耗為100 W。

集成化激光通信終端的主要優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕、功耗低、穩(wěn)定性好和成本低，通常搭載在低軌小衛(wèi)星上。主要技術(shù)途徑是光學(xué)天線和轉(zhuǎn)臺(tái)的輕量化、小型化，通信收發(fā)機(jī)的集成化。

3.4 網(wǎng)絡(luò)化

目前，世界上空間激光通信都是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，嚴(yán)重影響了通信中繼、組網(wǎng)和應(yīng)用。激光通信組網(wǎng)是未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

(1)2010年，美國(guó)提出轉(zhuǎn)型衛(wèi)星通信計(jì)劃(TSAT)，旨在于2020年左右建立一個(gè)類似互聯(lián)網(wǎng)的天基通信網(wǎng)絡(luò)傳輸結(jié)構(gòu)，將激光通信與微波通信集成互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)無(wú)盲點(diǎn)通信。

(2)2012年，ESA提出MEO計(jì)劃“LaserLight”，將12顆MEO衛(wèi)星通過(guò)激光鏈路組成環(huán)形網(wǎng)，目前正在建設(shè)中，2018年以后開(kāi)始運(yùn)營(yíng)。

(3)2018年，美國(guó)Laser Light Global公司計(jì)劃部署全球全光混合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)HALO，系統(tǒng)由8～12顆MEO衛(wèi)星組成，鏈接已有的海底光纜和地面光纖網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)容量可達(dá)6 Tbps，用戶雙向鏈路達(dá)200 Gbps。

激光通信網(wǎng)絡(luò)化的主要優(yōu)點(diǎn)是通信網(wǎng)絡(luò)快速、實(shí)時(shí)、廣域，主要難點(diǎn)是小束散角組網(wǎng)、動(dòng)態(tài)拓?fù)浣尤搿㈤L(zhǎng)延時(shí)等。主要技術(shù)途徑是突破“一對(duì)多”激光通信技術(shù)、突破“多制式兼容”激光通信技術(shù)、突破全光中繼技術(shù)、研究動(dòng)態(tài)路由解決接入難題、尋求激光微波通信聯(lián)合體制等。

3.5 一體化

空間激光通信與測(cè)距具有許多相似性，例如，它們都需要指向、捕獲、跟蹤(PAT)單元，脈沖時(shí)序檢測(cè)，都受到大氣影響等。因此，可以把它們有效結(jié)合成一個(gè)系統(tǒng)，通過(guò)發(fā)送與接收單束激光實(shí)現(xiàn)通信與測(cè)距功能的復(fù)合。主要代表有：

(1)2009年，俄羅斯在GLONASS-K衛(wèi)星上搭載星間激光測(cè)距通信系統(tǒng)并完成在軌試驗(yàn)，鏈路距離為55 000 km，信息速率為50 kbit/s，測(cè)距精度為3 cm。

(2)2013年，美國(guó)NASA的LLCD系統(tǒng)，除622 Mbps激光通信外，還可完成3 cm精度的激光測(cè)距功能。

(3)2020年，ESA計(jì)劃發(fā)射一顆衛(wèi)星執(zhí)行AIM計(jì)劃，該衛(wèi)星搭載深空激光通信終端OPTEL-D，OPTEL-D同時(shí)具備激光通信與測(cè)距功能。

在通信測(cè)距一體化方面，主要優(yōu)點(diǎn)是通信與測(cè)距相結(jié)合，使一種設(shè)備具有多任務(wù)功能，從而降低對(duì)體積、功耗的要求，并提高系統(tǒng)的性價(jià)比。主要難點(diǎn)是抗干擾能力差、測(cè)距光能弱。主要技術(shù)途徑是采用測(cè)距與通信共波長(zhǎng)、調(diào)制雙體制、偽碼與通信信號(hào)變換技術(shù)等。

4 結(jié)束語(yǔ)

空間激光通信憑借其帶寬優(yōu)勢(shì)，有望成為未來(lái)空間高速通信的主要方式。美國(guó)、歐洲、日本等對(duì)空間激光通信系統(tǒng)所涉及的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)了全面深入的研究，已開(kāi)發(fā)出多套衛(wèi)星激光通信終端，并成功完成多項(xiàng)在軌試驗(yàn)，正在規(guī)劃建設(shè)可覆蓋全球的天基激光通信網(wǎng)絡(luò)。我國(guó)空間激光通信雖然起步較晚，但在十一五、十二五期間已經(jīng)布置了大量空間激光通信的研究?jī)?nèi)容，攻關(guān)了快速捕獲跟蹤技術(shù)、高靈敏度相干通信技術(shù)、大氣湍流抑制技術(shù)、自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。且已成功進(jìn)行了多個(gè)在軌演示驗(yàn)證項(xiàng)目，包括LEO-地、GEO-地的在軌驗(yàn)證。與歐美國(guó)家相比，在星間通信、深空激光通信方面仍有一定的差距。

本文介紹了國(guó)際上空間激光通信最近的研究計(jì)劃及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，有助于及時(shí)了解發(fā)達(dá)國(guó)家在空間激光通信方面的設(shè)想及規(guī)劃。把握國(guó)際上空間激光通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，有利于提前做好技術(shù)準(zhǔn)備，使我國(guó)空間激光通信技術(shù)穩(wěn)步發(fā)展。