譚立英，孫征虎

（1.哈爾濱工業(yè)大學航天學院，哈爾濱 150001；2.中國空間技術研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094）

引 言

20世紀50年代末，人類開始了對月球的探索，掀起了深空探測活動的序幕。隨著航天技術的發(fā)展，深空探測活動范圍正進一步擴大，探測任務也逐漸趨于多樣化，大量的探測數據使傳統(tǒng)的通信鏈路成為深空探測的瓶頸[1]。目前的空間通信技術適合地球同步軌道，尤其是近地軌道的航天活動。但當人類的航天活動擴展到月球及以遠星體時，遙遠的通信距離使通信損耗劇增[2]，同時低通信覆蓋率也限制了傳統(tǒng)的微波通信鏈路在深空探測技術中的應用。為了適應日新月異的深空探測技術的發(fā)展，急需一種嶄新的通信手段解決通信瓶頸問題。

衛(wèi)星光通信技術是近幾十年發(fā)展起來的空間通信技術，以激光作為信息的載體，信號光束散角極窄[3]，可以提供大的發(fā)射天線增益以適應遙遠的通信距離。同時，衛(wèi)星光通信終端體積小、重量輕、通信容量大，更適合安裝于深空探測器上。

將衛(wèi)星光通信技術應用于繞月衛(wèi)星-地球激光通信系統(tǒng)中，組成繞月衛(wèi)星-地球激光通信鏈路，在極遠的通信距離下，尤其是在航天載荷體積、重量、功耗嚴格受限的條件下[4-5]，為探月任務提供更高通信帶寬，可將海量月球探測信息及時傳輸到地面，為我國的深空科學研究提供依據。因此，衛(wèi)星光通信技術是探月信息傳輸瓶頸問題的理想解決方案[6]，具有重要的科學和社會意義。

1 需求分析

1957年，美國國家航空航天局（National Aeronautics Space and Administration，NASA）提出了深空探測計劃。20世紀60年代深空探測中使用的頻段是L 波段（900 MHz）和S 波段（2.29～2.30 GHz）。1977年，在下行鏈路中使用了X波段（8.4 GHz）。20世紀90年代，NASA 提交了較小飛行器科學載荷的概念，擴展到用Ka波段進行地面-空間通信，降低了其質量和功耗。用光進行深空探測中的信息傳輸則是近些年來人們所盼望的，這可以使終端質量和功耗進一步地降低。特別是近幾年又大大增加了對小體積、低質量、低功耗空間飛行器的需求，已形成了美國在深空探測中用光頻段作為信息載體研究的推動力。美國在地球軌道深空中繼衛(wèi)星（Deep Space Relay Satellite，DSRS）鏈路采用光頻段直接探測通信，在地球靜止軌道（Geostationary Earth Orbits，GEO）的星上終端中，用雪崩光電二極管（Avalanche Photo Di-ode，APD）接收，采用固體半導體激光器直接發(fā)射激光。光學直接探測的深空中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（Deep Space Relay Satellite System，DSRSS）的性能要比Ka 波段深空探測網絡（Deep Space Network，DSN）提高1個數量級以上。為此，近幾年美國開展了用于深空通信的直接探測光學中繼衛(wèi)星的研究工作[7-8]。

深空探測是脫離地球引力場，進入太陽系和宇宙空間的探測活動，當前主要包括5 大領域：月球探測、火星探測、水星與金星探測、巨行星及其衛(wèi)星探測、小行星和彗星探測[7]。深空探測是人類了解地球、太陽系和宇宙，進而考察、勘探、開發(fā)利用太陽系其它星體的第一步[8]，具有十分重要的科學和經濟意義。因此，深空探測技術正日益成為世界各國重點研究的領域。隨著航天技術的發(fā)展，深空探測活動范圍進一步擴大，探測任務趨于多樣化，大量的探測數據使傳統(tǒng)的通信鏈路成為深空探測的瓶頸。為了適應日新月異的深空探測技術的發(fā)展，需要嶄新的通信手段突破這些瓶頸問題。

衛(wèi)星激光通信在深空探測活動中具有微波通信系統(tǒng)無可比擬的優(yōu)勢：①具有更高的載波頻率，更高的通信容量，目前，衛(wèi)星微波通信使用的頻段在300 MHz～300 GHz，然而衛(wèi)星光通信的頻段則為300 THz，二者相差103～106倍，采用光波段進行通信時的通信調制帶寬可以顯著增大，通信的數據率可達數Gbps 或更高；②終端體積、重量明顯減小，光波波長是微波波長的十萬分之一，與衛(wèi)星微波通信系統(tǒng)相比，衛(wèi)星光通信系統(tǒng)的天線尺寸成倍減小，從而有效地減少了通信終端的體積與重量；③功耗更低，衛(wèi)星光通信系統(tǒng)通過壓縮信號光束散角，提供了巨大發(fā)射天線增益，從而有效地減小了通信時所需的信號光功率，降低了系統(tǒng)所需功耗，深空激光通信優(yōu)勢見圖1。

圖1 深空激光通信優(yōu)勢Fig.1 The advantages of laser communication link

近年來，隨著我國探月工程的不斷推進，繞月衛(wèi)星-地球高速激光信息傳輸需求越來越迫切，急需突破繞月衛(wèi)星-地球激光通信技術。因而月地激光通信鏈路的建立可充分發(fā)揮探測器上高分辨率、寬視場成像儀的作用的而不受通信數據率的影響，為深空探測技術的發(fā)展帶來深遠的影響。同時也為我國深空探測技術發(fā)展提供關鍵技術支撐。

2 國內外研究現狀分析

2.1 國外研究現狀分析

自從20世紀60年代中期開始，美國對空間光通信技術的發(fā)展和應用制定了相應的研究計劃，同時針對大氣湍流的影響，積極開展了自由空間激光傳輸理論和實驗研究[9]。目前，NASA、噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）、美國彈道導彈防御組織（Ballistic Missile Defense Organization，BMDO）和麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）林肯實驗室等機構從事衛(wèi)星激光通信相關技術的理論和實驗研究[10]。

1992年12月9—16日，美國的JPL做了伽里略光學實驗，實驗的內容為在飛往木星的“伽里略號”探測器上的相機接收由加州的Table Moutain 天文臺和新墨西哥州的Starfire Optical Range 發(fā)射的光信號，起始距離為60萬km，終止距離為600萬km，為地球到月球距離的15 倍[10]。伽里略光衛(wèi)星通信實驗是人類首次深空光通信實驗，該實驗是在太陽-地球-探測器角度為90°時，太平洋標準時間3—6點進行的，這使得探測器上的照相機所拍到的地球一半亮一半暗，這種幾何分布使得以暗半球為背景的激光很容易在照相機的底片上成一個清晰的像。該實驗的主要目的是：①演示僅依據星歷表預測深空探測器位置的激光上行鏈路；②演示對脈沖調治光信號的接收；③檢驗深空星間鏈路理論模型正確性；④對分別用532 nm和1 064 nm進行光學鏈路通信性能評估。

照相機對紅外波段的光不敏感，所以波長在1 064 nm的激光上行鏈路并沒有做。因為實驗在夜間進行，照相機的曝光時間可以長達800 ms，該實驗共拍照159幅，記錄下光信號的48幅，在相機曝光時間小于400 ms 時沒有一次成功的接收，說明激光器的功率不夠大。實驗中是利用“伽里略號”探測器的軌道信息瞄準與其角度在0.5°以內的恒星來實現的，通過實驗測得誤差在85 μrad 以內。影響該實驗的3 個最大因素分別為：①天氣；②管理機構美國空間防御指揮中心對光束發(fā)射的限制；③“伽里略號”探測器下行鏈路信噪比異常。

2013年1月，NASA在戈達德航天飛行中心成功地將達芬奇名畫《蒙娜麗莎的微笑》的數碼影像，通過激光脈沖發(fā)送至月球上的月球勘測軌道飛行器（Lunar Reconnaissance Orbiter，LRO），數據的傳輸速率大約是300 bps。美國在2013—2014年進行的繞月衛(wèi)星-地球激光通信演示驗證計劃（Lunar Laser Communication Demonstration，LLCD）由 MIT 林肯實驗室和NASA 的戈達德航天空間飛行中心共同承擔[11]。該計劃中，NASA嘗試在繞月軌道與地面站間進行激光通信實驗，該項目的星上激光通信終端安裝于月球大氣與塵埃環(huán)境探測飛船（Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer，LADEE）上，與地面激光通信終端建立激光通信鏈路完成下行最高為622 Mbps，上行最高為20 Mbps 的演示驗證實驗[11]。該計劃同時驗證飛行試驗測量技術（time-of-flight measurement），可實現星上與地面終端間亞厘米級的定位修正，是實現高速上行、下行信號傳輸的基礎。2014年4月，歐洲航天局（European Space Agency，ESA）位于西班牙的光學地面站接收到了NASA月球大氣和塵埃環(huán)境資源探測器的激光信號，下行數據率為80 Mbps[12]。

LLCD 主要包括3 個組成部分：星上終端LLST（Lunar Lasercom Space Terminal）、地面終端LLGT（Lunar Lasercom Ground Terminal）、繞月衛(wèi)星-地球激光通信操作中心LLOC（Lunar Lasercom Operation Center）。林肯實驗室完成此3 部分的全部測試、制造、測試工作，在軌運行由NASA的戈達德航天空間飛行中心管理，如圖2所示。

圖2 LLCD項目激光通信試驗Fig.2 The LLCD laser communication experiment

LLST 的承載平臺 LADEE 由 NASA 的 Ames 研究中心設計研制，于2013年發(fā)射，該飛船帶有3個科學載荷，在其飛行任務中進行約100 d 的科學實驗，科學實驗中該飛行器距月球表面幾十千米高。在科學實驗前有1 個月的試運行階段，其中16 d 飛船將進行星地激光通信實驗。試運行階段飛船距月球表面約250 km，軌道周期約2 h。由于受到能源限制同時考慮熱控，在每個軌道周期LLST 僅工作15 min?？紤]地面終端的可見性，一天有3～5個軌道周期可進行繞月衛(wèi)星-地球激光通信。

為實現目標的空間捕獲與跟蹤LLST使用了大視域的InGaAs 四象限探測器。發(fā)射光通過光纖出射經由望遠鏡發(fā)射，入射光經由望遠鏡耦合入光纖中。這些光纖固定在壓電陶瓷上，以實現超前瞄準和對目標的經跟蹤。光發(fā)射與接收器安裝在調制解調模塊中，光纖將其于光學模塊連接起來。

調制解調模塊中的數字電路集成了下行鏈路不同的數據源（包括LADEE的科學實驗數據、LLST的高速遙測數據、光上行信號的回放數據）。調制解調模塊進行數據編碼。編碼后的數據通過高帶寬脈沖位置調置加載到光信號上，之后通過摻鉺光纖放大器（Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA）放大到0.5 W的平均功率。接收探測器為直接探測器，裝有一個基于低噪EDFA的前置放大器。基于雙PPM（Pulse Position Module）的硬判決脈沖位置解調器對上行鏈路波前進行解調，之后上行鏈路信號由FPGA（Field-Programmable Gate Array）進行解碼。

該終端由發(fā)射天線陣列、接收天線陣列、控制室組成。采用天線陣列的方式不但增加了天線口徑，同時通過空間分離的方式降低了大氣湍流隊光信號的影響。

LLGT 的發(fā)射天線由4 個15 cm 口徑的透射式望遠鏡組成，接收天線由4 個40 cm 的反射式望遠鏡組成[13]，每一個望遠鏡的光信號都通過光纖耦合至控制室中，與光發(fā)射器、接收器相聯。這8個望遠鏡安裝于同一個二維轉臺上，轉臺可在半球空間內實現光學天線的粗對準。每一個光學天線的后續(xù)光學系統(tǒng)都包括一個焦平面陣列和一個高速偏轉鏡，以實現對下行光束的跟蹤，同時對每一個光學天線的光軸進行校準。望遠鏡陣列安裝在玻璃纖維保護罩中，以保證它們的工作環(huán)境。

LLGT 的所有電子學設備安裝在控制室中，實現對轉臺與天線的控制及對光信號的調制解調。光發(fā)射器通過EDFA 放大輸出功率為10 W 的光束，調制方式為脈沖位置調制。發(fā)射光束通過偏振保持單模光纖耦合至發(fā)射望遠鏡中。LLGT 的接收器為光子計數超導納米線陣列（photon-counting superconducting nanowire arrays），工作在低溫環(huán)境中，具有極高的光子探測效率。在LLGT 的接收光學系統(tǒng)中，為了提高大氣湍流條件下的光耦合效率，同時考慮下行光信號的偏振性，使用了特制的多模保偏光纖。

除美國以外，ESA 自1977年開始也在大力發(fā)展衛(wèi)星激光通信技術。例如，2001年，歐空局開展的半導體激光星間鏈路實驗（Semiconductor Laser Inter-satellite Link EXperiment，SLlEX）實現了國際首次星間激光鏈路前向2 Mbps 和返向50 Mbps 數據率傳輸，調制方式為強度調制/直接探測。近些年來，歐空局正逐步開展歐洲數據中繼系統(tǒng)（European Data Relay Satellite，EDRS）計劃，最大通信數據率1.8 Gbps，通信光波長1 064 nm，調制方式為BPSK（Binary Phase Shift Keying）相干調制，如圖3 所示。其中，EDRS-A高軌中繼衛(wèi)星已經于2016年1月27日發(fā)射入軌，計劃2020年完成發(fā)射EDRS-C/D/E等3顆高軌中繼衛(wèi)星，完成4顆高軌中繼激光通信衛(wèi)星與地面構建的星間/星地EDRS 高速通信光網絡，并為用戶提供運營服務。

圖3 EDRS通信系統(tǒng)示意圖Fig.3 Scheme of EDRS system

日本自20世紀80年代開始衛(wèi)星激光通信相關研究，包括LCE（Laser Communication Experiment）計劃、光學軌道通信實驗衛(wèi)星（Optical Inter-orbit Communications Engineering Test Satellite，OICETS）、和SOCRATES（Stages of Change Readiness and Treatment Eagerness Scale）計劃等。日本在衛(wèi)星激光通信方面的研究更多地注重在激光通信終端10 kg 以內的小型化、輕量化的發(fā)展，像SOCRATES 計劃中的終端SOTA（Small Optical TrAnsponder），總重量僅為5.8 kg，下行通信數據率為10 Mbps，如圖4 所示。日本還制定了“激光數據中繼衛(wèi)星”計劃，調制方式為DPSK（Differential Phase Shift Keying）相干調制，數據率設定為2.5 Gbps，計劃2019年發(fā)射入軌。

圖4 SOCRATES通信系統(tǒng)示意圖Fig.4 Scheme of SOCRATES system

雖然歐洲以及日本等其它國家在衛(wèi)星激光通信研究過程中取得了一系列成果，但除了美國，迄今為止并未有深空探測激光通信計劃的公開報道。

2.2 國內研究現狀分析

哈爾濱工業(yè)大學自1991年就開展了衛(wèi)星光通信的研究工作，迄今已近30年，是國內最早開展衛(wèi)星光通信技術研究的單位[14]。研制了星地、星間激光通信系統(tǒng)工程樣機。終端的質量、體積、功耗及數據率等技術指標上都優(yōu)于目前國際激光鏈路空間試驗中正在使用的終端，衛(wèi)星光通信系統(tǒng)研制上達到國際先進水平。

2017年4月12日，搭載哈爾濱工業(yè)大學團隊研制的激光通信終端隨“實踐13號”（中星16號）同步軌道衛(wèi)星發(fā)射入軌。2017年4月27日—8月27日，成功進行了我國首次高軌衛(wèi)星星地高速激光通信，在近4 萬km 距離的衛(wèi)星與地面站間，實現了上下行雙向光束“針尖對麥芒”般的高精度捕獲跟蹤，成功進行了星地高速激光通信數據傳輸、實時轉發(fā)和存儲轉發(fā)，實現了高軌空間與地面站之間激光信道的“捕跟快速切換、精確鎖定、高速通信”，最高傳輸數據率達5 Gbps（2.5 Gbps×2），是迄今為止國際上已進行或近期計劃進行的高軌衛(wèi)星星間及星地激光通信在軌試驗中的最高傳輸數據率，如圖5所示。

圖5 高軌星地激光鏈路捕獲過程示意圖Fig.5 Scheme of high-oribit satellite/ground link acquisition process

試驗的成功，開創(chuàng)了國際衛(wèi)星激光通信發(fā)展新局面，具有如下特點：①鏈路跟蹤穩(wěn)定，在近4 萬km傳輸距離下，成功實現光束信號的快速捕跟切換和高精度穩(wěn)定跟蹤鎖定，平均捕獲時間2.5 s，1 h 跟蹤穩(wěn)定度為100%；②傳輸速率高，國際首次實現了高軌星地激光雙向通信，最高速率達5 Gbps，國際領先；③通信質量好，國際上首次實現了高軌星地600 Mbps、1.25 Gbps、2.5 Gbps、5 Gbps 多種數據率的激光通信，誤碼率均優(yōu)于10-6；④采用多項自主創(chuàng)新先進技術，在衛(wèi)星與地面間首次采用波分復用激光通信技術，并對短時保密高速通信、高速激光信息接收與轉發(fā)、遠距離高速激光通信大氣影響補償等多項技術進行了驗證，為后續(xù)天地一體化信息網絡國家重大科技工程的實施奠定了堅實基礎。

3 深空月地探測激光通信關鍵技術

深空月地激光通信研究過程中，涉及到很多關鍵技術難題，主要包括大功率高帶寬激光器技術、高靈敏度接收技術、瞄準捕獲跟蹤技術和調制編碼技術等[15-16]。

3.1 大功率、高帶寬的激光器技術

一般而言，深空光通信距離較遠，使得通信誤碼率較高，因而對光發(fā)射模塊提出了新的要求：大輸出功率條件下激光要具有線寬小的特性，高碼率調制條件下低啁啾系數，此外，激光器尺寸要小。現階段常用的放大器有MOPA（Master Oscillator Power-Amplifier）主振蕩功率放大器，可產生高度相干光束，在放大功率的同時保留其主要特性，轉換效率較高。此外，MOPA放大器可以較容易得到線寬、波長調諧范圍、光束質量或脈沖持續(xù)方面的優(yōu)異性能，并與激光功率關系較小，在深空月地激光通信技術中有較大的應用前景[17-19]。

3.2 高靈敏度接收技術

在月地衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)中，光信號經過遠距離傳輸已經非常微弱，需要采用高靈敏度的接收機對微弱信號進行探測。超導納米線單光子探測器（Superconducting Nanowire Single-Photon Detectors，SNSPDs）能夠在超紫外到紅外波段實現高速單光子探測，具有高探測效率、低噪聲和精確的光子計時。美國噴氣推進實驗室和美國國家標準與技術研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）合作開發(fā)的單像素光纖耦合WSi SNSPD（鎢硅化物超導納米線單光子探測器）陣列，可展現出高達93%的系統(tǒng)檢測效率，這一光子技術探測器被廣泛應用于NASA的LLCD等項目中[10-20]。

3.3 瞄準、捕獲和跟蹤技術

相比于近地軌道衛(wèi)星激光通信而言，深空月地激光通信對瞄準、捕獲和跟蹤（Pointing Acquisition and Tracking，PAT）技術提出了新的要求：考慮月球探測器的姿態(tài)變化、工作平臺振動的影響、較大的實時提前量角修正以及亞微弧度量級誤差的動態(tài)跟蹤[20]。因此，針對此類問題，PAT 控制策略、振動補償方法以及控制執(zhí)行速度等均需進一步深入研究。

3.4 大氣信道自適應光學

大氣湍流不但對下行鏈路信號能量和像質接收產生嚴重的能量展寬和相差畸變，還會對上行信號激光束產生明顯的光束漂移和強度起伏[21]。從而嚴重影響著深空月地激光通信的質量和鏈路穩(wěn)定性。因而，下行鏈路地面接收終端需開展自適應光學技術減少大氣湍流的影響。而上行鏈路中可采用地面終端多路發(fā)射的方法，減小大氣湍流對上行鏈路接收的光強閃爍影響。

3.5 調制與編碼技術

深空月地激光通信要實現高功率、超遠距離的傳輸，需要對發(fā)射端激光器進行高碼率調制，因此高碼率調制技術是實現深空光通信的關鍵技術之一，即一種具有更高功率利用率、頻率利用率以及更好的誤碼特性的調制方式。PPM 調制是一種在激光脈沖頻率一定的情況下可以利用很小的光平均功率實現較高的數據傳輸率，從而可降低對激光器發(fā)射功率的要求。此外，PPM 調制抗干擾能力也相對較高，且編碼設計和實現較為簡單易行，是一種深空月地激光通信較為實用的調制方式。在NASA 提出的“用于未來10年技術演示的深空光通信架構中”，采用了串行級聯脈沖位置調制（Serially Concatenated Pulse Position Module，SCPPM），最大數據速率達到267 Mb/s，同時使用LDPC（Low-Density Parity-Check）方式，編碼速率為2 kb/s[22]。

盡管PPM 調制方式應用廣泛，但是它需要瞬時光強度的不平衡分布，這導致了對發(fā)射器中使用的激光光源的峰值平均功率比的嚴格要求。此外，PPM 在帶寬以及傳輸容量方面尚有不足，現在又提出了許多像差分脈沖位置調制（Differential Pulse Position Modulation，DPPM）和數字脈沖間隔調制（Digital Pulse Interval Modulation，DPIM）等調制方式。

4 結 論

相比于傳統(tǒng)的微波頻段深空探測通信技術，衛(wèi)星激光通信具有體積小、重量輕和功耗低等優(yōu)點，數據傳輸接收靈敏度更高，極窄的激光光束使得鏈路傳輸距離更遠。在航天載荷體積、重量、功耗嚴格受限的條件下，可為探月任務提供更高通信帶寬。本文綜述了國內外衛(wèi)星激光通信在深空探測領域的研究進展，并在此基礎上論述了深空月地激光技術上的挑戰(zhàn)和技術可實現性。為我國深空科學研究提供依據。繞月衛(wèi)星-地球激光通信鏈路可實現繞月衛(wèi)星與地球之間的高速數據傳輸，將月球探測資料無壓縮高保真?zhèn)骰氐孛娴目茖W試驗，將具有重要的科學意義和社會意義。