深空探测激光通信技术发展研究

罗建将 李洪祚 唐雁峰 郝子强 丁长虹，2

（1 长春理工大学空间光电技术研究所，长春 130022）（2 空军航空大学，长春 130022）

1 引言

目前，深空探测中数据传输采用射频通信方法，其技术优势逐渐降低，已不能满足深空探测中对高速率、安全、大容量传输数据的任务需求。而激光通信具有大容量、保密性强、轻便、小型化等优点，且满足深空高速率通信要求，既能减小星载载荷体积、功耗，又可提高深空探测器的使用寿命，因而，近年来作为深空探测的重要信息传输手段得到了大力发展，成为大幅提高深空测控通信性能的新热门技术。本文介绍了深空激光通信的发展，对其关键技术进行了分析，可为中国发展深空激光通信技术提供一定的参考。

2 发展情况

深空激光通信技术的发展不是一步到位的。多国科学家在地面、大气层和近太空进行了大量激光通信验证试验，为深空激光通信的实现提供了技术支持。欧洲航天局（ESA）早期致力于CO2激光器的无线通信研究，使调制速率达到了数吉比特每秒的量级；此后又研制了“半导体激光星间链路实验”（SILEX）卫星，该卫星与日本“轨道间光通信工程试验卫星”（OICETS）完成了从星间单工到双工的上百次通信试验，充分验证了不同轨道卫星之间激光通信的可行性。美国在卫星激光通信方面的试验成果并不多，但是在深空激光通信方面一直处于领先水平。下面主要对美国深空激光通信的发展加以概述。

美国国家航空航天局（NASA）从20世纪70年代开始研究高码速率的地球静止轨道卫星之间（GEO-GEO）光连接和低码速率的深空光中继技术。1992年，美国喷气推进实验室（JPL）开展了第1个深空光通信试验——“伽里略光学实验”（GOPEX）。这个试验是在飞往木星的“伽利略”（Galileo）探测器上进行的，链路的最远距离为6 000 000km，其中激光脉冲重复频率为10 Hz，波段为532nm。1996年，JPL又启动了“先进通信系统优势”（ACBS）研究，得出的结论是，“随着探测任务次数的增加，光学通信系统是节约成本的必然选择”［1］。2000年，JPL 针对NASA 的技术开发计划，研制了功能齐全的深空光收发机（DSOR），它有2种不同的设计参数，以支持深空光通信的需求。第1 种的通信距离超过6AU（898 000 000km），功耗小于50 W。其下行链路调制速率超过100kbit／s，波段为1060nm；上行链路调制速率超过2kbit／s，波段为532nm。第2种的通信距离为2AU，调制速率为30kbit／s，下行链路波段为1064nm，脉冲宽度为25ns，输出功率为1 W。2005年，JPL 设计的光通信发射机，其重复频率为3～30 MHz，采用脉冲位置调制（PPM），脉冲宽度为2ns，峰值功率为1．67kW（3MHz时），平均功率为10W，波长小于1064nm。在此基础上，JPL又在2007年设计出另外一种光通信发射机，其重复频率为10～100MHz，采用PPM，脉冲宽度小于1ns，峰值功率大于1000 W。另外，NASA 还开展了“火星激光通信验证”（MLCD）系统研究。该系统由NASA、JPL 和麻省理工学院的林肯实验室联合研制，目标是建立火星与地球行星距离的激光通信。它采用PPM，设计通信速率为1～100 Mbit／s［2-3］。

3 关键技术

激光通信的关键技术对深空通信性能的提高尤为重要。与近地空间激光通信相比，深空激光通信技术的要求不同或更加苛刻。中国的深空激光通信要实现工程应用，应开展以下几项关键技术的研究。

3．1 高精度捕获跟踪瞄准（ATP）技术

美国JPL 采用独特的ATP 技术，实现了在整个太阳系的精确瞄准。在火星和木星的探测任务中，ATP技术是通过地球图像跟踪实现的，并常常采用激光信标、地球-月球图像和地球-恒星图像进行校正。高相角时，地球图像无法提供高速率跟踪所需的足够亮度，此时可利用惯性传感器（加速度表）测量，以更高的速率在天体参考更新值之间推测、跟踪信息。

ATP技术要求克服航天器姿态变化和平台抖动影响，并考虑在瞄准时提前角修正的条件下，实现动态跟踪误差达到微弧度量级的高精度跟踪瞄准。对于深空激光通信，由于航天器距离太远，信标光极其微弱，难以作为ATP 的基准信号，为此，须要研究以地球、恒星等自然天体为基准信号的ATP 技术。采用自然天体作为深空激光通信系统的信标时，要精确知道选用J2000地心赤道坐标系作为惯性坐标系时自然天体在J2000地心天球坐标系中的赤经和赤纬，可利用星敏感器储存的导航星表，基于星对角间隔的识别方法完成信标的识别。星敏感器的测量精度受到其分辨率、光学系统成像质量、信号处理电路带入的噪声、CCD 背景噪声、软件内插算法精度等多种因素的影响，因此，要成功建立深空激光通信的链路，就要不断提高星敏感器的测量精度［4］。此外，要精确定位中继卫星，完成捕获、跟踪与瞄准，保证通信的畅通有效。图1 为NASA 的“激光通信中继验证”（LCRD）光学模块结构图［5］。其中，辅助电路和平衡架应保证光学窗口的有效工作。

图1 NASA 的LCRD 光学模块Fig．1 Optical modules of NASA LCRD

3．2 望远镜接收技术

深空激光通信的接收望远镜口径要达到10米量级，并具有良好的杂光抑制能力，以保证其与太阳的夹角很小时（小于3°）能够可靠接收。为了进一步提高对远距离微弱信号的接收能力，须发展可取代大口径望远镜的小口径望远镜阵列技术。小口径望远镜阵列可有效增加口径效率，提供超过现有最大单口径望远镜的数据接收能力。小口径望远镜阵列技术还能提高系统的可靠性、可操作性和任务计划的灵活性，在需要时能通过望远镜组合为特定任务提供支持，提高资源使用率。此外，小口径望远镜更容易建造，可以实现批量化、自动化，从而能降低成本。与建造更多的10m 或更大口径的望远镜相比，采用大规模小口径望远镜阵列能获得更好的性价比。图2为LCRD 地面收发站，它就是采用小口径望远镜阵列实现光信号的发射和接收的。LCRD 地面收发站通信望远镜由发射镜和接收镜复合组成，发射镜包括4台集中于转台中上部、直径为15cm、功率为10 W、速率为10～20 Mbit／s、波长为1558nm 的光学发射镜，以及4台分布于四周、直径为40cm、接收速率可达40～622 Mbit／s的奈米波段探测镜。

图2 LCRD 地面收发站Fig．2 Transmitting and receiving ground station of LCRD

3．3 高功率、高速率激光器和高效率调制编码技术

为了满足远距离要求，必须提高激光器的发射功率。为了提高通信距离，深空激光通信采用PPM。例如：NASA进行的MLCD系统研究，目标是建立火星与地球行星距离的激光通信，就采用PPM，设计通信速率为1～100 Mbit／s。PPM 技术要获得高速率，必须提高激光脉冲的重复频率；因此，研发符合深空通信特点、编译码复杂度较低的逼近香农极限信道编译码技术，在深空通信中尤为重要。Turbo 码具有逼近香农容量极限的性能，已成为空间遥感系统的标准，非常适合于深空通信；但针对深空通信，所需的实用编解码技术还存在许多有待攻克的难点［6-8］。表1总结了不同类型激光器的优缺点。星地上行数据可用固体激光器光源，下行数据则用半导体激光器光源，星间链路中多用半导体激光器光源。目前，光纤激光器优势显著，应用越来越多。

表1 不同类型激光器的优缺点Table 1 Advantages and disadvantages of various types of laser

3．4 深空中继通信技术

JPL等机构提出了建立“星际互联网络”（IPN）的设想，以解决深空探测和通信中的各种问题［9］。“转型卫星”（TSAT）通信计划的目标是卫星与高空飞机间的数据率达到6Gbit／s，星间激光通信达到20Gbit／s，并将于2015年发射一颗激光通信演示卫星，进行为期一年的演示验证试验。图3（a）为深空链路采用PPM 直接或延时传送数据，图3（b）为应用跟踪和数据中继卫星采用差分移相键控（DPSK）和PPM 相结合的方法传送数据。表2总结了国外卫星中继发展情况。可以看出，未来采用中继平台、进行链路数据传输是深空激光通信的发展方向。

图3 深空激光通信链路与中继通信链路比较Fig．3 Comparison between deep space laser communication link and relay communication link

表2 国外卫星中继发展计划Table 2 Satellite relay development plan

3．5 复杂深空环境下微弱信号探测技术

根据中国宇航学会深空探测技术专业委员会给出的试验技术指标，激光链路的距离为5×107～4×108km（地面），激光发散角为5″，（地面）激光脉冲发射能量为300mJ，星上接收面积为8000mm2，星上接收器光电子数为0．7～35个，采用时间滤波及伪随机码测试，计时准确度为10ps。在此技术指标下，光接收机收到的信号十分微弱，而且伴有高背景噪声场干扰。为了快速、精确地捕获目标和接收信号，可以提高接收机的灵敏度，或者对接收的信号进行处理。在光信道上采用光窄带滤波器（干扰滤光片或原子滤光器等），以抑制背景杂散光的干扰；在电信道上则采用微弱信号检测与处理技术。这就需要在高灵敏度探测器、窄带滤光片、微弱信号提取技术和相干接收技术等方面开展研究工作［10］。

4 结束语

本文介绍了国外深空激光通信技术的发展情况，总结并分析了深空激光通信的几项关键技术。针对中国目前的技术水平，建议突破关键器件（如激光器和高速率调制器）的研究瓶颈；深入研究新型编码算法，满足深空调制的高速率、低误码率的要求；进一步提高现有星历表的精度，在ATP 技术中借鉴JPL 的技术，运用多种方法实现高精度的ATP；应着手进行大规模小口径望远镜的系统研制和选址工作，在地面站的选址上应加强与国外合作，实现全方位、多角度的跟踪探测，为进一步开展深空激光通信发挥作用。

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