董全睿，陳 濤，高世杰，劉永凱，張玉良

(1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

1 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)和電子器件的發(fā)展，現(xiàn)代社會(huì)步入了海量數(shù)據(jù)和高速傳輸?shù)男畔r(shí)代。目前，信息的傳輸可以分為有線傳輸和無(wú)線傳輸兩種傳輸方式，有線傳輸方式主要適用于地面上的短距離傳輸，而對(duì)于地面與空間、空間與空間之間的長(zhǎng)距離傳輸則需要采用無(wú)線傳輸方式進(jìn)行通信[1-2]。目前衛(wèi)星基本都利用微波進(jìn)行通信，但是其波長(zhǎng)較長(zhǎng)、需采用較大口徑天線實(shí)現(xiàn)高收發(fā)增益，從而導(dǎo)致星載平臺(tái)上的微波通信終端功耗高、體積大、重量大。近幾年，微小衛(wèi)星發(fā)展飛速，微波通信已經(jīng)不能滿足星載端機(jī)輕負(fù)載、低功耗的需求[3-6]。因此，為了提高通信速率和容量，各國(guó)科研人員對(duì)無(wú)線激光通信進(jìn)行了深入探索。

星載激光通信利用極窄的激光作為載體，在空間上建立星-星，星-空或星-地鏈路，完成數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸。激光通信具有諸多優(yōu)點(diǎn)：通信頻帶寬、信息容量大，抗干擾能力強(qiáng)，保密性極強(qiáng)等[7]，尤其在解決射頻通信瓶頸，構(gòu)建天基組網(wǎng)等方面有很大應(yīng)用潛力，此外在軍事方面也有著迫切需求[8]。1994年，日本建立了世界上首個(gè)星地激光通信鏈路，并在此基礎(chǔ)上完成了空間衛(wèi)星ETS-VI與地面站之間的多次通信實(shí)驗(yàn)[9]，首次驗(yàn)證了星地鏈路的可行性。在此之后，各國(guó)開始廣泛開展空間激光通信研究，美國(guó)、德國(guó)和法國(guó)等國(guó)家相繼進(jìn)行了有關(guān)星載激光通信的研究與實(shí)驗(yàn)[10-13]。近幾年，國(guó)外已經(jīng)進(jìn)行了多次成功的工程實(shí)驗(yàn)，對(duì)諸多關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。2006年，日本又開展了星間激光通信實(shí)驗(yàn)，低軌衛(wèi)星OICETS與歐洲研發(fā)的靜止軌道衛(wèi)星ARTEMIS進(jìn)行了單向的激光通信測(cè)試，通信速率為50 Mbps[14]。2008年，歐洲又進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了星間衛(wèi)星的雙向激光通信實(shí)驗(yàn)，TerraSAR-X衛(wèi)星與美國(guó)NFIRE衛(wèi)星完成了雙向激光通信實(shí)驗(yàn)，速率為5.625 Gbps[15]。2013年，美國(guó)利用月球激光通信終端與地面站終端進(jìn)行了月地超遠(yuǎn)距離激光通信，通信速率達(dá)到622 Mbps[16]。本文旨在介紹各國(guó)目前星載激光通信的研究進(jìn)展及未來(lái)計(jì)劃，并歸納了相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，總結(jié)了仍待解決的問題。

2 星載激光通信系統(tǒng)的基本構(gòu)成

星載激光通信系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，涵蓋了光機(jī)電等多個(gè)領(lǐng)域，各子系統(tǒng)在完成各自任務(wù)的同時(shí)，還需相互間配合，缺一不可。激光通信系統(tǒng)主要包括以下幾部分：激光接收和發(fā)射系統(tǒng)、 捕獲跟蹤瞄準(zhǔn)(Acquisition Tracking Pointing,ATP)系統(tǒng)和光學(xué)系統(tǒng)，除了上述基本子系統(tǒng)外，還包括配電系統(tǒng)以及熱控系統(tǒng)等一些配套系統(tǒng)。

圖1 典型激光通信系統(tǒng)組成 Fig.1 Configuration of a typical laser communication system

星載激光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，每個(gè)子系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)要求必須要根據(jù)星載激光通信系統(tǒng)的需求統(tǒng)籌分配和嚴(yán)謹(jǐn)論證。典型激光通信系統(tǒng)的組成如圖1所示。

2.1 激光收發(fā)系統(tǒng)

調(diào)制器、激光器、光學(xué)發(fā)射天線以及準(zhǔn)直系統(tǒng)等共同組成激光發(fā)射系統(tǒng)；激光接收系統(tǒng)包括探測(cè)器、光濾波器、解調(diào)器和光學(xué)接收天線等。在激光發(fā)射系統(tǒng)中，由于半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光束質(zhì)量較差，通常要對(duì)光束進(jìn)行整形和壓縮，要求經(jīng)過處理的光束近似服從高斯分布，壓縮后的光束在微弧度量級(jí)。傳輸鏈路在空間的損耗大小決定了激光光源功率和發(fā)射端的天線增益。激光接收端機(jī)的主要功能是收集來(lái)自目標(biāo)衛(wèi)星發(fā)射過來(lái)的光束，利用分色鏡從這些光束中分離出信標(biāo)光和信號(hào)光，分離后的信標(biāo)光經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)入射到粗跟蹤探測(cè)器；而信號(hào)光經(jīng)過濾波和聚焦后入射到光探測(cè)器上，經(jīng)由光探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)，再經(jīng)過信號(hào)處理后恢復(fù)出所需要的通訊信息或捕獲跟蹤信息。目前的星載激光通信系統(tǒng)中，信號(hào)光和信標(biāo)光光源多采用800～850 nm波段的半導(dǎo)體激光器發(fā)射，近些年隨著光纖激光器的發(fā)展，也有一些星載通信系統(tǒng)選用1 550 nm波段作為光源。

2.2 捕獲跟蹤瞄準(zhǔn)(ATP)系統(tǒng)

捕獲跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)是用于建立和保持星地通信鏈路的關(guān)鍵系統(tǒng)，主要包括粗跟蹤機(jī)構(gòu)、精跟蹤機(jī)構(gòu)和預(yù)瞄準(zhǔn)機(jī)構(gòu)。在捕獲階段，粗跟蹤系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)，根據(jù)星歷或衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)軌跡將望遠(yuǎn)鏡定位到對(duì)方終端的方向，以便捕獲到信標(biāo)光信號(hào)。在接收到信標(biāo)光以后，粗跟蹤系統(tǒng)會(huì)根據(jù)目標(biāo)與探測(cè)器中心的脫靶量進(jìn)行閉環(huán)控制，執(zhí)行器件為電機(jī)。當(dāng)系統(tǒng)光軸處于精跟蹤視場(chǎng)范圍時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入精跟蹤階段，在此階段根據(jù)精跟蹤探測(cè)器反饋的誤差信號(hào)控制快反鏡，使誤差達(dá)到通信要求的精度，一般精跟蹤精度為幾微弧度。預(yù)瞄準(zhǔn)機(jī)構(gòu)的作用是補(bǔ)償通信雙方在不同的軌道運(yùn)轉(zhuǎn)而引起的相對(duì)運(yùn)動(dòng)誤差。由于激光光束的束散角很小，因此預(yù)瞄準(zhǔn)機(jī)構(gòu)十分重要。

2.3 光學(xué)系統(tǒng)

光學(xué)系統(tǒng)是通信終端的重要系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)負(fù)責(zé)準(zhǔn)直激光發(fā)射的信標(biāo)光和信號(hào)光光束并將其發(fā)向其他終端。此外，光學(xué)系統(tǒng)還負(fù)責(zé)接收目標(biāo)終端發(fā)射過來(lái)的信號(hào)光和信標(biāo)光光束。光學(xué)系統(tǒng)的任務(wù)是能夠快速建立通信鏈路并且有效地進(jìn)行通信。在設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，需考慮以下幾點(diǎn)：由于空間環(huán)境復(fù)雜，光學(xué)系統(tǒng)必須具有足夠強(qiáng)的適應(yīng)性；根據(jù)總體指標(biāo)要求，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量滿足體積小、質(zhì)量輕的要求；大氣環(huán)境會(huì)對(duì)光束傳輸產(chǎn)生影響，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮大氣因素并減小其影響。

3 研究現(xiàn)狀

3.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

3.1.1 日本星載激光通信技術(shù)研究現(xiàn)狀

日本于1995年研制了激光通信終端LCE并且搭載衛(wèi)星ETS-VI成功完成了世界上首次星地激光通信可行性驗(yàn)證。此項(xiàng)目完成了多次捕獲試驗(yàn)，驗(yàn)證了捕獲系統(tǒng)的性能。激光發(fā)射系統(tǒng)為離軸卡塞格林望遠(yuǎn)鏡，直徑為7.5 cm，縮放比為10倍。粗跟蹤探測(cè)器采用面陣電荷耦合器件(Charge Couple Device,CCD)，其視場(chǎng)大小為8 mrad，捕獲不確定區(qū)域大小為±1.5°，跟蹤精度為32 μrad，LCE終端采用四象限探測(cè)器(Quadrant Detector,QD)作為精跟蹤探測(cè)器，精跟蹤視場(chǎng)大小為0.4 mrad，跟蹤精度達(dá)到2 μrad，精跟蹤系統(tǒng)閉環(huán)帶寬大于200 Hz。此外，LCE系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了預(yù)瞄準(zhǔn)裝置，來(lái)補(bǔ)償由于衛(wèi)星相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的瞄準(zhǔn)誤差。改進(jìn)后的有效補(bǔ)償視場(chǎng)范圍為±0.1 mrad，跟蹤精度優(yōu)于2 μrad，通信速率為1.024 Mbps，誤碼率低于10-6。盡管該衛(wèi)星由于火箭推進(jìn)失效等原因沒有進(jìn)入預(yù)定軌道，但是，日本通信研究實(shí)驗(yàn)室(Communications Research Laboratory,CRL)和美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)合作完成了多次捕獲試驗(yàn)，驗(yàn)證了捕獲系統(tǒng)的性能[17]。

為了繼續(xù)研究激光通信鏈路特性，日本宇宙開發(fā)事業(yè)部( National Space Development Agency,NASDA)于2003年又開展了搭載OICETS衛(wèi)星的LUCE激光通信終端項(xiàng)目，LUCE激光通信終端如圖2所示。

圖2 LUCE激光通信終端圖 Fig.2 Laser communication terminal of LUCE

2005年，日本繼續(xù)開展星地激光通信項(xiàng)目的研究，與德國(guó)共同開展了名稱為“閃光衛(wèi)星地面站的通信演示試驗(yàn)(KIODO)”的通信試驗(yàn)，利用搭載在OICETS衛(wèi)星上的LUCE激光通信終端與德國(guó)航空航天研究院(Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt,DLR)的光學(xué)地面站進(jìn)行星地間的通信實(shí)驗(yàn)。該項(xiàng)目主要驗(yàn)證了地面站在各種天氣狀況下對(duì)衛(wèi)星終端的捕獲能力和相互之間的通信能力。2006年，日本衛(wèi)星與德國(guó)地面站之間又開展了多次捕獲試驗(yàn)，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出：大氣湍流擾動(dòng)和云層不確定因素對(duì)結(jié)果影響最大，尤其是在湍流較強(qiáng)時(shí)，地面站接收端的光束色散嚴(yán)重，使得光功率分布不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)通信性能變差。該實(shí)驗(yàn)為后續(xù)星地激光通信提供了參考，地面站可以通過選擇多點(diǎn)布站的方式提高總通信時(shí)間。此試驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了雙向通信，上行、下行傳輸速率分別為2.048 Mbps和49.372 Mbps[18]。

2014年，日本開展了一項(xiàng)名為先進(jìn)空間光通信技術(shù)衛(wèi)星SOCRATES的計(jì)劃。該計(jì)劃的超小型LEO(Low Earth Orbit)激光通信終端SOTA(Small Optical TrAnsponder)，總質(zhì)量?jī)H為5 kg左右，搭載在50 kg級(jí)的小衛(wèi)星上與地面進(jìn)行通信試驗(yàn)[19]，SOTA終端的收發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。同年5月SOTA終端發(fā)射進(jìn)入軌道，并成功于當(dāng)年8月至11月間開展了星地激光通信試驗(yàn)，下行通信速率為10 Mbps，最遠(yuǎn)通信距離為1 000 km。

圖3 SOTA收發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 Fig.3 Structure of transmitter and receiver system of SOTA

2015年1月，日本公布了包括“激光數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星(JDRS)”計(jì)劃在內(nèi)的國(guó)家航天開發(fā)基本計(jì)劃，目前正處于初步設(shè)計(jì)研發(fā)階段，并于當(dāng)年下?lián)芰?2.08億日元作為該計(jì)劃的啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)，計(jì)劃在2019年搭載光學(xué)衛(wèi)星(AOS)發(fā)射，旨在通過衛(wèi)星之間的激光鏈路和Ka波段鏈路為星地終端提供數(shù)據(jù)中繼服務(wù)[20]。日本已經(jīng)啟動(dòng)下一代激光通信系統(tǒng)的研究，并開展了一項(xiàng)名為HICALI(High speed Communication with Advanced Laser Instrument)的項(xiàng)目計(jì)劃[21]。該計(jì)劃預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)地面站與LEO之間10 Gpbs量級(jí)和與GEO(Geosynchronous Earth Orbit)之間40 Gpbs量級(jí)的激光通信，通信波長(zhǎng)為1.5 μm，此外，該項(xiàng)目將使用激光通信與無(wú)線電通信的混合系統(tǒng)。HICALI項(xiàng)目在2018年已完成初步設(shè)計(jì)驗(yàn)證，衛(wèi)星總線系統(tǒng)也已完成，計(jì)劃于2021年搭載HST(High-throughput Satellite)衛(wèi)星發(fā)射到同步地球軌道。

3.1.2 美國(guó)星載激光通信技術(shù)研究現(xiàn)狀

美國(guó)于1995年進(jìn)行星間激光通信研究并正式實(shí)施STRV-2計(jì)劃，目的是驗(yàn)證地面與衛(wèi)星之間激光通信技術(shù)的可行性。然而由于受搭載衛(wèi)星軌道控制準(zhǔn)確度差等因素影響，導(dǎo)致雙方無(wú)法通信，最終本計(jì)劃失敗。隨后美國(guó)的JPL實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)國(guó)家航空太空總署NASA共同研究出OCD激光通信系統(tǒng)，先后研制了OCDⅠ樣機(jī)和OCDⅡ終端，用于低軌衛(wèi)星和地面站之間通信[22]。OCD終端采用帶寬較高且精度高的陣列探測(cè)技術(shù)與復(fù)合軸伺服技術(shù)，簡(jiǎn)化了提前量補(bǔ)償系統(tǒng)的功能及結(jié)構(gòu)，如圖4所示。通過安裝高速單探測(cè)器以提高跟蹤精度，同時(shí)運(yùn)用開窗技術(shù)提高系統(tǒng)采樣速率。將陣列探測(cè)系統(tǒng)安裝在發(fā)射光路中，用來(lái)補(bǔ)償粗跟蹤殘差(Coarse Pointing Gimbal,CPA)。在2000年的OCDⅠ樣機(jī)試驗(yàn)中，信標(biāo)光波長(zhǎng)為780 nm，通信光波長(zhǎng)為844 nm，通信速率為500 Mbps，ATP跟蹤精度為2 μrad；在2005年的OCDⅡ終端試驗(yàn)中，信標(biāo)光波長(zhǎng)為810 nm，通信光波長(zhǎng)為1 550 nm，通信速率為2.5 Gbps，ATP跟蹤精度為1 μrad。

圖4 OCD 系統(tǒng)ATP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖 Fig.4 ATP structure design diagram of OCD system

2013年10月，美國(guó)麻省理工學(xué)院、林肯實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)宇航局共同合作，成功開展了LLCD月球探測(cè)計(jì)劃，如圖5所示。在月球軌道與地球多個(gè)地面站分別進(jìn)行了激光雙工通信試驗(yàn)[23]。LLCD進(jìn)行了30天，由于此系統(tǒng)只能在白沙地面站或ESA地面站處于使用狀態(tài)時(shí)使用，因此通信時(shí)間受到一定限制，其系統(tǒng)鏈路試驗(yàn)時(shí)間為16小時(shí)，該演示計(jì)劃的主要目的是驗(yàn)證關(guān)鍵技術(shù)和長(zhǎng)距離激光通信的可行性，最遠(yuǎn)通信距離接近40萬(wàn)千米。用于LLCD激光通信的波長(zhǎng)為1 550 nm，上行通信速率可達(dá)20 Mbps，下行通信速率可達(dá)622 Mbps，可用于對(duì)往返飛行間的時(shí)間進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，且誤差低于200 ps。LLCD月球終端采用雙發(fā)卡塞格林望遠(yuǎn)鏡，直徑為15 cm，光束發(fā)散角約為15 μrad，轉(zhuǎn)臺(tái)精度優(yōu)于4 μrad，發(fā)射光功率為0.5 W。地面接收端機(jī)采用4發(fā)4收的光學(xué)系統(tǒng)，每路接收孔徑為40 cm，發(fā)射孔徑為15 cm，同時(shí)選擇靈敏度達(dá)到-82.9 dBm的超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器完成探測(cè)任務(wù)。

圖5 LLCD月球探測(cè)示意圖 Fig.5 Schematic diagram of LLCD lunar exploration

為了建設(shè)深空探測(cè)通信網(wǎng)絡(luò)以及為未來(lái)的TDRS空間激光通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供重要參考，美國(guó)在2017年開展了名為“激光通信中繼演示(LCRD)”計(jì)劃[24]。此計(jì)劃用于對(duì)地面接收站與地球同步軌道衛(wèi)星間高速雙向通信進(jìn)行演示，并利用GEO衛(wèi)星與地面上兩個(gè)接收站進(jìn)行激光中繼通信。在LLCD的基礎(chǔ)上，LCRD計(jì)劃完成驗(yàn)證編碼演示，組網(wǎng)能力有所提高，可滿足DTN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等任務(wù)。LCRD計(jì)劃在商用衛(wèi)星SSL(Space Systems Loral)上裝載衛(wèi)星激光通信終端。同時(shí)，改建了麻省理工學(xué)院和JPL的兩個(gè)地面光學(xué)站，在原來(lái)地面站的基礎(chǔ)上增加了DPSK單元和AO自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，用來(lái)進(jìn)行DPSK通信試驗(yàn)同時(shí)可提高其抗大氣湍流干擾能力。圖6為L(zhǎng)CRD自適應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖6 LCRD自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 Fig.6 Structural diagram of adaptive optical system of LCRD

此外，基于LLCD項(xiàng)目的成功經(jīng)驗(yàn)，美國(guó)于2017年又開展了深空光通信計(jì)劃(Deep Space Optical Communications,DSOC)，DSOC計(jì)劃可以實(shí)現(xiàn)近地小行星和木星間的數(shù)據(jù)傳輸，本計(jì)劃回傳數(shù)據(jù)速率為250 Mbps，通信距離最長(zhǎng)達(dá)6.3億公里，功率為76 W，終端質(zhì)量?jī)H為28 kg。但是與LLCD相比，DSOC還有許多關(guān)鍵技術(shù)仍未解決，如千瓦級(jí)地面發(fā)射功率、下行光束較大預(yù)瞄準(zhǔn)角、通信終端光子計(jì)數(shù)陣列探測(cè)器以及慣性穩(wěn)定光束指向等。最近的DSOC研究得到美國(guó)空間通信與導(dǎo)航中心SCaN計(jì)劃的支持，將繼續(xù)進(jìn)行微小衛(wèi)星研究，終端總體重量在6 kg以內(nèi)，電源功率小于50 W，計(jì)劃與火星航天器之間的數(shù)據(jù)通信速率達(dá)20 Mbps，與地面站之間的數(shù)據(jù)通信速率達(dá)200 kbps[25]。2018年8月2日，美國(guó)又完成了一項(xiàng)星載激光通信領(lǐng)域里程碑的事件：美國(guó)的OSCD-B和OSCD-C終端分別搭載兩顆1.5U(1U指一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元，體積為10 cm×10 cm×10 cm)的立方衛(wèi)星AeroCube-7B和AeroCube-7C，首次完成了基于Cubesat微小衛(wèi)星平臺(tái)的星地激光通信，兩個(gè)通信終端的質(zhì)量?jī)H為360 g，下行通信速率為100 Mbps。

3.1.3 歐洲星載激光通信技術(shù)研究現(xiàn)狀

1977年，歐洲航天局(European Space Agency,ESA)在空間激光通信領(lǐng)域開展研究，并于1985年制定和實(shí)施包含一個(gè)LEO衛(wèi)星(SPOT-4)激光通信端機(jī)與一個(gè)GEO衛(wèi)星(ARTEMIS)激光通信端機(jī)在內(nèi)的SILEX計(jì)劃，于2001年發(fā)射衛(wèi)星ARTEMIS，其工作波段為847 nm，接收速率為50 Mbps，天線口徑為25 cm，最遠(yuǎn)通信距離為45 000 km，LEO至GEO的通信速率為50 Mbps，GEO至LEO的通信速率為2 Mbps，并在2001年11月法國(guó)地面觀測(cè)衛(wèi)星SPOT-4與ESA的ARTEMIS衛(wèi)星第一次實(shí)現(xiàn)星間激光通信單向試驗(yàn)，其僅能從SPOT-4單方向傳遞數(shù)據(jù)至ARTEMIS。這是世界上首個(gè)成功實(shí)現(xiàn)星間激光通信的鏈路計(jì)劃，具有標(biāo)志性意義[26]。實(shí)現(xiàn)SILEX計(jì)劃的空間終端接收天線采用卡塞格林式天線結(jié)構(gòu)，使用非相干調(diào)制通信方式，通信波長(zhǎng)為797～853 nm。此次星間通信時(shí)間為900 s，通信速率為50 Mbps，誤碼率為10-9。

2002年，德國(guó)航天中心DLR開展了LCTSX計(jì)劃，Tesat公司承擔(dān)了設(shè)計(jì)及制造通信終端的任務(wù)，該計(jì)劃于2007年6月15日搭載TerraSAR-X衛(wèi)星發(fā)射。TerraSAR-X衛(wèi)星于次年3月與美國(guó)的NFIRE衛(wèi)星成功建立了雙向超高速激光通信鏈路，星間通信速率為5.6 Gbit/s，通信距離為5 000 km。LCTSX計(jì)劃實(shí)現(xiàn)星間激光通信的同時(shí)，也可用于完成星地激光通信[27]。與以往采用傳統(tǒng)微波通信的方式相比，該計(jì)劃首次在星間激光通信運(yùn)用相干通信方式，體現(xiàn)了激光通信高速率的優(yōu)勢(shì)，具有標(biāo)志性的意義。

2008年底，ESA計(jì)劃將空間激光通信應(yīng)用于新的數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)EDRS(European Data Relays System)中[28]。EDRS計(jì)劃作為全球第一個(gè)正式投入使用的空間激光通信項(xiàng)目，最初的目的是利用多條Ka波段GEO對(duì)地鏈路和中繼GEO衛(wèi)星與LEO間激光通信鏈路，解決傳統(tǒng)低軌衛(wèi)星在對(duì)地面數(shù)據(jù)傳輸方面的缺陷。EDRS計(jì)劃創(chuàng)造出一種新型衛(wèi)星服務(wù)，使空間激光通信系統(tǒng)發(fā)展與應(yīng)用趨于成熟，加速了商業(yè)模式的運(yùn)營(yíng)進(jìn)程。2016年6月1日ESA對(duì)外公布了第一張使用EDRS-A轉(zhuǎn)發(fā)哨兵1號(hào)衛(wèi)星拍攝的法國(guó)留尼旺島圖像，如圖7所示，其圖像傳輸速率為600 Mbps。ESA計(jì)劃一共發(fā)射3顆EDRS衛(wèi)星，構(gòu)成全球組網(wǎng)計(jì)劃，可實(shí)現(xiàn)全球數(shù)據(jù)的中繼傳輸，2018年計(jì)劃發(fā)射EDRS-C衛(wèi)星，在此基礎(chǔ)上預(yù)計(jì)于2020年或2021年擴(kuò)充發(fā)射EDRS-D衛(wèi)星。

圖7 EDRS傳回的圖像 Fig.7 Image transmitted from EDRS

近些年為滿足衛(wèi)星新興市場(chǎng)的需求，增強(qiáng)組網(wǎng)化能力，2018年瑞士軍工企業(yè)RUAG發(fā)射了一顆名為OPTEL-μ的微小衛(wèi)星激光通信終端到近地軌道，該終端總重8 kg，體積為8L，功耗為45 W，能夠以2 Gpbs的速率將LEO產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳輸至地面站，OPTEL-μ終端實(shí)現(xiàn)了從近地軌道到固定光學(xué)地面站組網(wǎng)的雙向非對(duì)稱激光通信鏈路[29]。該項(xiàng)目計(jì)劃在全球網(wǎng)絡(luò)的4到10個(gè)不同站點(diǎn)位置部署地面站，以滿足天氣晴朗狀況下的通信需求。目前歐洲航天局ESA已經(jīng)開展深空探測(cè)激光通信的研究，項(xiàng)目名稱為小行星撞擊任務(wù)AIM(Asteroid Impact Mission)，目的是為了保護(hù)地球遭到小行星碰撞，并計(jì)劃于2020年將其發(fā)射進(jìn)入雙體小行星軌道[30]。AIM主體航天器計(jì)劃攜帶至少3顆較小的飛行器：即由DLR提供的Mascot-2小行星著陸器，以及兩顆或更多的Cubesat微小衛(wèi)星，AIM將在深空測(cè)試衛(wèi)星間的激光通信，這將是未來(lái)探索深空的必要技術(shù)。

3.2 星載激光通信國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)開展空間激光通信的研究較晚，但考慮到激光通信領(lǐng)域巨大的發(fā)展前景，近幾年國(guó)家加大了對(duì)該領(lǐng)域的投入。目前國(guó)內(nèi)許多科研機(jī)構(gòu)和高校都開展了相關(guān)技術(shù)的研究并取得了顯著的成果。電子科技大學(xué)對(duì)激光通信系統(tǒng)理論及系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了較為深入的探索[31]。長(zhǎng)春理工大學(xué)在空地以及空空激光通信方面進(jìn)行了許多研究試驗(yàn)，2013年成功完成了兩架運(yùn)12飛機(jī)相隔144 km的遠(yuǎn)距離通信[32]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)則將研究重心主要放在星間及星地激光通信方面，2011年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)建立了國(guó)內(nèi)首個(gè)星地通信鏈路，其自主研制的激光通信終端搭載LEO衛(wèi)星“海洋二號(hào)”成功發(fā)射[33]。成都光電所將自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)應(yīng)用到激光通信系統(tǒng)中[34]，以有效校正大氣湍流及其他因素引起的波前畸變，提高了通信質(zhì)量。此外，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所、上海技術(shù)物理研究所、中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司等單位也相繼開展了空間激光通信研究[35]。目前，我國(guó)自行研制的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已初具規(guī)模，其中北斗三號(hào)衛(wèi)星也增加了衛(wèi)星激光通信功能[36]。雖然我國(guó)在空間激光通信領(lǐng)域取得了一定的成果，但是離商用化的目標(biāo)還有很長(zhǎng)的一段路要走，仍然有很大的發(fā)展空間。

4 星載激光通信發(fā)展趨勢(shì)及關(guān)鍵技術(shù)研究展望

4.1 星載激光通信發(fā)展趨勢(shì)

近幾年星載激光通信技術(shù)發(fā)展迅速，關(guān)鍵技術(shù)不斷被攻破，縱觀國(guó)內(nèi)外星載激光通信的研究進(jìn)展，呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢(shì)：

一是高速率。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，高靈敏度探測(cè)技術(shù)逐漸成熟，誤碼率越來(lái)越低，可使速率從最初的百M(fèi)bps量級(jí)提高到Gbps量級(jí)，甚至達(dá)幾百Gbps量級(jí)；

二是星載激光通信呈現(xiàn)組網(wǎng)化趨勢(shì)。最初的星載激光通信方式基本上均為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，但近幾年各個(gè)國(guó)家不斷開展星載數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星計(jì)劃，組網(wǎng)化已經(jīng)成為未來(lái)的主要發(fā)展趨勢(shì)。

三是星載端機(jī)小型化。輕量化、小型化、低功率的終端越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外激光通信項(xiàng)目的青睞，小型化的終端一般發(fā)射到低軌軌道上，例如日本的SOTA終端，美國(guó)的立方衛(wèi)星AeroCube-7B和AeroCube-7C和歐洲的OPTEL-μ微小衛(wèi)星。

四是星載激光通信深空化研究。美國(guó)已于2017年又開展了深空光通信計(jì)劃DSOC，用于實(shí)現(xiàn)木星、火星探測(cè)信息傳輸。而歐洲航天局也已經(jīng)開展了名為AIM的深空探測(cè)任務(wù)，用于記錄小行星的軌道信息，防止小行星與地球發(fā)生碰撞。

4.2 關(guān)鍵技術(shù)研究展望

4.2.1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

高效的光學(xué)天線和精密的收發(fā)光路是光學(xué)系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)。為了減小通信終端的體積，光學(xué)天線通常采用收發(fā)共用的結(jié)構(gòu)，光學(xué)天線一方面對(duì)發(fā)射光束進(jìn)行準(zhǔn)直擴(kuò)束，壓縮發(fā)散角，提高發(fā)射增益；另一方面對(duì)其他終端發(fā)射過來(lái)的光束進(jìn)行壓縮，使其最終聚焦在光電探測(cè)器上。天線孔徑大小與發(fā)射和接收增益成正比，但隨著孔徑的增大，終端的體積和重量也會(huì)隨之增大，因此天線孔徑的大小應(yīng)該根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求，全面考慮各方面因素來(lái)確定。典型的空間激光通信收發(fā)光路包括信標(biāo)光和信號(hào)光兩個(gè)通道，成像質(zhì)量直接影響跟瞄精度和通信質(zhì)量。此外，光學(xué)系統(tǒng)各個(gè)分系統(tǒng)的指標(biāo)分配和參數(shù)選擇也直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

4.2.2 高精度ATP控制系統(tǒng)研究

ATP控制系統(tǒng)是用來(lái)建立和保持空間激光通信鏈路的關(guān)鍵技術(shù)。在相距較遠(yuǎn)的動(dòng)目標(biāo)上對(duì)發(fā)散角小的窄信號(hào)光進(jìn)行捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)是件十分困難的事情。目前，典型的ATP系統(tǒng)一般采用復(fù)合軸控制，包括粗跟蹤系統(tǒng)和精跟蹤系統(tǒng)兩個(gè)部分。粗跟蹤系統(tǒng)帶寬低但是動(dòng)態(tài)范圍大，用于完成掃描、跟蹤以及大范圍視場(chǎng)跟蹤；精跟蹤系統(tǒng)帶寬高但視場(chǎng)小，可有效補(bǔ)償粗跟蹤系統(tǒng)的殘余誤差，此外，精跟蹤系統(tǒng)對(duì)高頻擾動(dòng)也有較強(qiáng)的抑制能力，整個(gè)ATP系統(tǒng)的精度取決于精跟蹤系統(tǒng)的控制精度。粗跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)是在低速高精度的工作模式下要克服轉(zhuǎn)臺(tái)的軸系摩擦還要補(bǔ)償電機(jī)齒槽力矩波動(dòng)，目前可以通過在數(shù)字控制器上設(shè)計(jì)先進(jìn)控制算法來(lái)克服擾動(dòng)，以提高精度或者改進(jìn)機(jī)械加工技術(shù)，從而減小軸系間的摩擦。而精跟蹤系統(tǒng)則需要克服由星上振動(dòng)引起的高頻干擾，精跟蹤系統(tǒng)的帶寬要足夠高，一般為粗跟蹤系統(tǒng)帶寬的十倍左右，因此用于精跟蹤系統(tǒng)的光電探測(cè)器的采樣頻率要很高，目前精跟蹤系統(tǒng)常用的光電探測(cè)器主要是以下3種：電耦合器件、位置敏感器、四象限探測(cè)器。

4.2.3 大氣信道對(duì)通信鏈路的影響研究

大氣信道對(duì)激光通信鏈路有影響，這是制約空間激光通信發(fā)展的重要因素之一，也是發(fā)展空間激光通信技術(shù)必須考慮的因素。由于大氣處于不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，會(huì)引起溫度、壓強(qiáng)、密度等因素的隨機(jī)變化，造成大氣湍流運(yùn)動(dòng)，大氣湍流會(huì)對(duì)光束傳播和波面產(chǎn)生影響，進(jìn)而對(duì)通信鏈路的捕獲、跟蹤和穩(wěn)定造成不利影響，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致通信失敗。利用液晶光束衰減器可提高寬范圍激光的光強(qiáng)穩(wěn)定性，增強(qiáng)光強(qiáng)閃爍的抑制能力。此外，采用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)可有效緩解大氣信道對(duì)傳輸光路產(chǎn)生的波前動(dòng)態(tài)誤差。

4.2.4 環(huán)境適應(yīng)性和可靠性研究

空間復(fù)雜環(huán)境對(duì)激光通信的影響十分嚴(yán)重，空間影響因素主要包括空間溫度、空間輻射和空間等離子體運(yùn)動(dòng)等?？臻g環(huán)境對(duì)激光通信系統(tǒng)中的許多載荷都有不同程度的影響，從而引起了許多航天科研工作者的重視。因此在設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，采用抗輻射的高反膜反射鏡；設(shè)計(jì)機(jī)械器件時(shí)，選擇不易冷焊的材料，并鍍上不易冷焊的涂層；電力系統(tǒng)盡量選擇抗輻射能力強(qiáng)和抗氧化的電力電子器件，并做好防靜電設(shè)計(jì)等。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著近幾年材料技術(shù)、探測(cè)技術(shù)、半導(dǎo)體發(fā)光技術(shù)以及控制技術(shù)的快速發(fā)展以及國(guó)內(nèi)外對(duì)星載激光通信系統(tǒng)研究的逐步深入，星載激光通信已經(jīng)進(jìn)入性能測(cè)試階段，朝著實(shí)用化和商業(yè)化的目標(biāo)更進(jìn)一步。目前，星載激光通信的研究正向著更高通信速率、更遠(yuǎn)通信距離、更小型化的方向發(fā)展，很多國(guó)家正在全面構(gòu)建激光通信組網(wǎng)。結(jié)合各國(guó)目前的研究熱點(diǎn)，小衛(wèi)星激光通信終端將在未來(lái)中占據(jù)重要地位，如何在設(shè)計(jì)的過程中使整個(gè)系統(tǒng)小型化、輕量化、一體化將顯得尤為重要。我國(guó)近幾年在星載激光通信方面的投入逐年遞增，已經(jīng)由關(guān)鍵技術(shù)研究、地面實(shí)驗(yàn)進(jìn)入到空間試驗(yàn)階段，為實(shí)現(xiàn)天地一體化的激光通信網(wǎng)絡(luò)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。