陳誠 宋雪舟 范丹丹 孫潔

（1 北京空間科技信息研究所 2 中國人民解放軍32039部隊）

隨著我國空間技術(shù)的快速發(fā)展和產(chǎn)業(yè)規(guī)模的快速增長，標準作為技術(shù)法規(guī)將在其中發(fā)揮越來越重要的作用。為探索研究我國空間激光通信標準建設思路，對空間激光通信標準建設進行需求分析，提出對我國空間激光通信標準的規(guī)劃設計，能為我國空間激光通信技術(shù)發(fā)展與標準建設提供借鑒與參考。

1 引言

隨著空間應用的不斷拓展，航天任務對信息傳輸帶寬的需求越來越高。無論是近地還是深空，傳統(tǒng)的微波通信都已基本達到技術(shù)極限。此外，由于航天任務逐年增多，微波頻譜資源也日益緊張。而空間激光通信具有頻帶寬、容量大、終端體積小、質(zhì)量輕、功耗低等優(yōu)點，是應對各類航天任務高速率、大容量通信需求的最佳途徑，因而成為近年來航天領域廣受關注的熱點?，F(xiàn)階段，我國正在開展空間激光通信領域的預研工作，部分技術(shù)已通過在軌試驗得到驗證，具備一定的技術(shù)基礎。同時，空間激光通信在導航、寬帶通信、數(shù)據(jù)中繼等領域的工程需求也相對明確。目前，我國還沒有開展該領域的標準化工作，與國外相比存在較大差距。本文將在分析該領域標準需求的基礎上，結(jié)合我國系統(tǒng)建設的實際需求，提出我國如何開展該領域標準研究工作的構(gòu)想。

2 標準需求分析

大氣觀測與應用

空間激光通信本質(zhì)是以光作為媒介的通信手段，適用于星地通信和星間通信。對于星間通信而言，光只在真空環(huán)境中傳輸，因此具有很好的傳輸特性。對于星地通信而言，光需要穿過大氣層，期間要受到空氣、云霧等因素的影響，會在傳輸過程中產(chǎn)生較大的損耗。由于星地通信受天氣影響較大，因此需要在全球范圍內(nèi)建立地面站網(wǎng)絡，通過合理布局保證始終有地面站處于“可見”狀態(tài)，能持續(xù)進行星地間的數(shù)據(jù)交互。

大氣參數(shù)觀測與分析是空間激光通信領域重要的基礎性研究工作，貫穿了空間激光通信系統(tǒng)研制和應用，是系統(tǒng)建設過程中進行站址選擇和通信鏈路預算，以及在軌應用過程中進行網(wǎng)絡管理和實時信道切換等工作的前提條件。需要通過標準確定大氣傳輸模型，統(tǒng)一大氣特征參數(shù)的測量方法和信道傳輸條件的預測方法，明確天氣條件的判據(jù)，以指導和規(guī)范各項工作的開展。

通信協(xié)議

通信協(xié)議即通信實體之間完成信息交換所必須遵循的規(guī)則和約定，是實現(xiàn)通信的基礎。通信協(xié)議標準是空間激光通信的頂層標準，是后續(xù)確定工程技術(shù)方案、開展終端產(chǎn)品研制的依據(jù)，使用空間激光通信技術(shù)開展航天任務，首先需要確定統(tǒng)一的通信協(xié)議。

空間通信采用了開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型（OSI）提出的分層思想，分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層及應用層。其中，網(wǎng)絡層、傳輸層、應用層主要針對數(shù)據(jù)的交互和操作，對于各種通信方式具有通用性?？臻g激光通信作為一種全新的通信方式，其特殊性主要體現(xiàn)在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，涉及激光波長、捕獲跟蹤、極化、調(diào)制、同步、信道編碼等方面的技術(shù)要求。

空間通信協(xié)議模型

目前，空間激光通信針對不同應用場景設計了高光子效率體制（HPE）、低復雜度體制（LC）以及高數(shù)據(jù)速率體制（HDR）三種技術(shù)體制。其中，高光子效率體制主要用于深空探測領域，即具有超長通信距離、功率嚴重受限的應用場景。低復雜度體制以低軌衛(wèi)星直接對地數(shù)據(jù)傳輸作為主要應用場景，同時也適用于星間通信。高數(shù)據(jù)速率體制主要用于基于地球同步軌道（GEO）衛(wèi)星的星間鏈路和星地鏈路，是目前應用場景最廣泛、最具市場前景的技術(shù)體制。由于前期技術(shù)路線選擇的原因，歐洲航天局（ESA）和美國國家航空航天局（NASA）分別提出了基于1064nm波長的相干二進制相移鍵控（BPSK）調(diào)制體制，以及基于1550nm波長的非相干差分相移鍵控（DPSK）調(diào)制體制等兩種互不兼容的提案。我國也將主要精力聚焦在高數(shù)據(jù)速率體制上，并通過海洋二號、實踐十三號、北斗三號等衛(wèi)星對兩種技術(shù)方案進行了在軌驗證。目前，已基本確定技術(shù)方案及相關技術(shù)要求，因此需要通過標準確定空間激光通信的通信協(xié)議，建立統(tǒng)一的技術(shù)體制，以指導后續(xù)工程研制工作的開展，這也是我國目前亟待解決的問題。

工程建設

空間激光通信與傳統(tǒng)的微波通信在系統(tǒng)實現(xiàn)層面存在較大差異。在引入空間激光通信后，現(xiàn)有的工程建設方案將不能完全適用，未來將在確定的技術(shù)體制下，從系統(tǒng)總體層面針對這一全新的通信技術(shù)手段進行各大系統(tǒng)之間的接口協(xié)調(diào)，以及整個系統(tǒng)的設計和驗證工作。為有效指導和規(guī)范未來工程建設工作的開展，一方面需要針對衛(wèi)星與衛(wèi)星之間、衛(wèi)星與地面站之間、地面站與地面站之間的接口開展系統(tǒng)接口標準研究，另一方面需要針對星地鏈路預算、星間鏈路搭建、衛(wèi)星組網(wǎng)、地面站站址選擇和組網(wǎng)等內(nèi)容開展系統(tǒng)設計標準研究，同時還需要針對地面站網(wǎng)聯(lián)試、激光通信終端地面對接試驗、衛(wèi)星在軌測試、衛(wèi)星組網(wǎng)驗證等內(nèi)容開展系統(tǒng)測試標準研究。

產(chǎn)品

實現(xiàn)空間激光通信的實體是激光通信終端，是一種極其復雜的產(chǎn)品，根據(jù)工作環(huán)境和裝載平臺的不同，可分為星載激光通信終端和地面激光通信終端。其核心功能包括：高功率光源、高碼率調(diào)制解調(diào)、光束準直整形、光信號探測接收、捕獲跟蹤等。

激光通信終端由多臺單機設備組成，由于設計理念不同，不同廠商研制的激光通信終端在模塊劃分上可能存在較大差異。為了避免出現(xiàn)產(chǎn)品規(guī)格多樣、重復研制等問題，需要運用裝備“三化”（通用化、系列化、組合化）的理念和方法進行產(chǎn)品型譜規(guī)劃。同時，還需要針對型譜簡表中梳理出的產(chǎn)品種類和規(guī)格開展進一步的產(chǎn)品標準研究，以規(guī)范產(chǎn)品研制。

產(chǎn)品標準針對各類激光通信終端及其組成的單機設備，包括星上產(chǎn)品和地面產(chǎn)品，主要用于指導工程總體和用戶進行產(chǎn)品采購和驗收。因此，產(chǎn)品標準的規(guī)劃需要反映各級產(chǎn)品的“三化”發(fā)展規(guī)劃，并體現(xiàn)星上產(chǎn)品和地面產(chǎn)品在性能指標、對外接口、環(huán)境適應性等方面的差異。開展產(chǎn)品標準研究需要系統(tǒng)梳理未來多種型號對每一類激光終端的數(shù)量需求、性能指標要求，針對激光通信終端建立系列基線，形成配置方案。同時，還需要針對單機設備進行產(chǎn)品特征參數(shù)選取、產(chǎn)品規(guī)格優(yōu)化等方面的研究，建立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹，開展對應的型譜規(guī)劃，針對每一型單機設備制定具體的產(chǎn)品規(guī)范類標準。

在軌應用

衛(wèi)星在軌交付后，如何更好地使用衛(wèi)星也是需要重點關注的問題。衛(wèi)星在軌運行過程中，一方面受衛(wèi)星軌道周期性、姿軌控誤差等因素的影響，另一方面受設備裝配精度、熱形變等因素的影響，星載激光通信終端的指向會發(fā)生一定程度的變化?？臻g激光通信對于指向精度要求極高，上述誤差將嚴重影響星載激光通信終端之間的捕獲與跟蹤，造成系統(tǒng)性能的下降，需要定期對星載激光通信終端的指向進行校準，確保系統(tǒng)工作的連續(xù)性和穩(wěn)定性。指向精度的標定和校準（以下簡稱“標?！保┳鳛樾l(wèi)星在軌使用過程中的一項重要工作，需要規(guī)劃標準指導具體工作的開展。

另外，鏈路建立是中繼衛(wèi)星系統(tǒng)工作過程中的一個重要環(huán)節(jié)。相比于微波通信，激光通信的波束更窄、對指向精度要求更高，鏈路建立的過程更復雜，建鏈時間也更長。空間激光通信涉及星地鏈路和星間鏈路兩種鏈路，兩種鏈路的應用場景和約束條件差異較大。其中，星間鏈路需要考慮衛(wèi)星之間的相對運動，進行長期動態(tài)跟蹤；星地鏈路需要考慮星地的實時信道條件，進行星地鏈路的動態(tài)切換。這對衛(wèi)星的任務規(guī)劃和操縱控制提出了較高的要求，需要規(guī)劃標準指導具體工作的開展。

3 標準規(guī)劃設計思考

通過對空間激光通信標準需求的分析，同時結(jié)合該領域國外標準研究情況，提出了我國空間激光通信標準體系的基本框架，包括大氣觀測與應用標準、通信協(xié)議標準、工程建設標準、產(chǎn)品標準、在軌應用標準五個模塊。

大氣觀測與應用標準

大氣觀測與應用標準屬于通用技術(shù)標準。大氣參數(shù)觀測與分析是空間激光通信領域重要的基礎性研究工作，只有建立起大氣通用傳輸模型標準，統(tǒng)一大氣特征參數(shù)的測量方法、信道傳輸標準，才能保證空間激光通信高效運行。

空間激光通信標準體系框架

1) 通用傳輸模型標準：廣泛開展國際合作，充分借鑒國際通用的傳輸模型，如國際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會（CCSDS）的空間數(shù)據(jù)傳輸模型，使不同研制單位的傳輸模型互聯(lián)互通互操作。

譬如，新華社曾經(jīng)報道，中國電力科學研究院原黨組書記、副院長鄧永輝，利用此前擔任國網(wǎng)青海省電力公司總經(jīng)理、黨委副書記及國家電網(wǎng)公司生產(chǎn)技術(shù)部（運維檢修部）主任的職務之便，先后收受3家公司價值456萬余元的財物，被法院以受賄罪判處有期徒刑10年。

2) 大氣特征參數(shù)的測量方法標準：對影響激光信號在星地之間傳輸?shù)拇髿馓卣鲄?shù)及其影響程度進行經(jīng)驗總結(jié)，固化已有經(jīng)驗，形成可復制、可推廣的測量方法標準。

3) 大氣信道傳輸標準：對大氣特征參數(shù)的測量數(shù)據(jù)如何開展信道條件預測、信道條件預測結(jié)果如何開展實時信道切換進行經(jīng)驗總結(jié)，固化已有經(jīng)驗，形成可復制、可推廣的信道傳輸標準。

通信協(xié)議標準

通信協(xié)議標準屬于頂層標準。空間激光通信領域的通信協(xié)議具有特殊性，需重點規(guī)劃物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的通信協(xié)議標準。

1) 物理層通信協(xié)議標準：綜合考慮不同應用場景在通信距離、通信速率、通信鏈路等方面的差異，對物理層所涉及通信波長、通道特性、捕獲跟蹤、調(diào)制解調(diào)等方面的技術(shù)要求，數(shù)據(jù)鏈路層所涉及的各類信道編碼及其參數(shù)設置的要求等進行規(guī)定，規(guī)劃物理層通信協(xié)議標準。

2)數(shù)據(jù)鏈路層通信協(xié)議標準：綜合考慮不同應用場景在通信距離、通信速率、通信鏈路等方面的差異，對物理層所涉及通信波長、通道特性、捕獲跟蹤、調(diào)制解調(diào)等方面的技術(shù)要求，數(shù)據(jù)鏈路層所涉及的各類信道編碼及其參數(shù)設置的要求等進行規(guī)定，規(guī)劃數(shù)據(jù)鏈路層通信協(xié)議標準。

工程建設標準

工程建設標準屬于具體實施標準，標準規(guī)劃基于4點要求。

2) 地面站建設標準：對如何開展空間激光通信地面站的設計工作進行規(guī)定，包括外界約束條件、站址選擇要求和流程、地面站升級改造接口等內(nèi)容。建設標準達到地面站一站多用，減低生產(chǎn)成本，避免重復建設。

3) 鏈路試驗方法標準：對星載激光通信終端和地面站的入網(wǎng)驗證試驗方法進行規(guī)定，包括新建地面站與在軌星載激光通信終端之間的對接試驗、星載激光通信終端發(fā)射前與在軌星載激光通信終端之間的對接試驗、星載激光通信終端發(fā)射前與地面站之間的對接試驗等三類試驗。

4) 在軌應用標準：對星載激光通信終端的在軌測試方法進行規(guī)定，包括星間鏈路測試和星地鏈路測試兩類測試。

產(chǎn)品標準

產(chǎn)品標準屬于具體實施標準，標準規(guī)劃基于星載終端產(chǎn)品和地面終端產(chǎn)品。

1) 星載終端產(chǎn)品標準：綜合考慮不同的任務要求，統(tǒng)一規(guī)劃終端產(chǎn)品的種類，建立星載終端產(chǎn)品的型譜化產(chǎn)品，滿足多種應用場景。分別對應用場景星載激光通信終端的技術(shù)要求及其對應的檢驗方法作出規(guī)定，技術(shù)要求包括終端產(chǎn)品本身工作波長、捕獲概率、捕獲時間、接收靈敏度、調(diào)制方式、信息速率、誤碼率等，也包括對外接口、環(huán)境適應性、電磁兼容性、可靠性、安全性等與在軌工作環(huán)境密切相關的技術(shù)要求。

2) 地面終端產(chǎn)品標準：綜合考慮不同的任務要求，統(tǒng)一規(guī)劃終端產(chǎn)品的種類，建立地面終端產(chǎn)品的型譜化產(chǎn)品，滿足多種應用場景。與星載終端相對應，分別對應用場景地面激光通信終端的技術(shù)要求及其對應的檢驗方法作出規(guī)定。

在軌應用標準

在軌應用標準屬于具體實施標準。標準規(guī)劃基于激光通信的“能收到、很好用”的原則。

1) 星間鏈路通信處理方法標準：對衛(wèi)星之間的激光通信鏈路建立所涉及的組織機構(gòu)、操作實施等內(nèi)容進行規(guī)定，包括低軌衛(wèi)星之間、高軌衛(wèi)星之間、高軌衛(wèi)星與低軌衛(wèi)星之間三種場景。

2) 星地鏈路通信處理方法標準：對衛(wèi)星與地面站之間的激光通信鏈路建立所涉及的組織機構(gòu)、操作實施等內(nèi)容進行規(guī)定，包括低軌衛(wèi)星和高軌衛(wèi)星兩種場景。

3) 激光通信終端在軌處理方法標準：對星載激光通信終端和地面激光通信終端在軌標校的時機、條件、標校系統(tǒng)、標校實施流程，以及標校所涉及的具體操作、數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容進行規(guī)定，包括地面標校和星上自標校兩種實現(xiàn)方式。

4 結(jié)束語

標準體系的規(guī)劃和建設是一項復雜的系統(tǒng)工程，需要考慮型號研制的實際情況、工程應用的需求以及技術(shù)發(fā)展的趨勢；同時標準體系的規(guī)劃和建設還是一個逐步完善的過程，需要根據(jù)新技術(shù)、新產(chǎn)品、新需求的出現(xiàn)對標準體系進行修訂和優(yōu)化。開展空間激光通信標準研究并制定一套完整的標準，一方面可以通過標準建立行業(yè)準入門檻，從而規(guī)范行業(yè)的發(fā)展；另一方面還能通過標準推動空間激光通信終端的產(chǎn)品“三化”，從而縮短產(chǎn)品的研制周期，使得企業(yè)可以把更多的經(jīng)費和精力放在技術(shù)的創(chuàng)新上。此外，空間激光通信作為連接星地、星間的重要技術(shù)手段，技術(shù)體制和接口的標準化也同樣有利于規(guī)范空間激光通信終端自身的研制。