空间激光通信最新进展与发展趋势

高铎瑞，李天伦，孙 悦，汪 伟，胡 辉，孟佳成，郑运强，谢小平

(中国科学院 西安光学精密机械研究所 瞬态光学与光子技术国家重点实验室，陕西 西安 710119)

1 引 言

空间激光通信经过多年探索取得了突破性进展，已成为解决微波通信瓶颈、构建天基宽带网、实现对地观测海量数据实时传输的有效手段[1-6]。激光通信终端具有体积小、质量轻、功耗低等特点，非常适合作为卫星有效载荷，能够满足航天活动日益增长的通信需求。美国、欧洲、日本等对空间激光通信系统所涉及的各项关键技术展开了全面深入的研究，已开发出多套卫星激光通信终端，并成功完成多项在轨试验，技术基本成熟，已经开始规划建设可覆盖全球的天基激光通信网络[7-13]。本文在总结空间激光通信最新研究进展基础上，对空间激光通信技术的发展趋势进行了深入分析。

2 国内外发展现状

国外空间激光通信技术近年来取得飞速发展，主要研究机构有美国NASA JPL(喷气推进实验室)、NASA GSFC(哥达德太空飞行中心)、麻省理工学院林肯实验室、加州理工大学；欧洲的ESA(欧空局)、德国空间中心、法国国防部采办局；日本的JAXA(日本航天局)、NICT(日本国家信息通信技术研究所)等，表1总结了国内外空间激光通信演示计划。

表1 空间激光通信演示计划

2.1 美国

(1)激光通信中继演示验证(LCRD)

LCRD是美国开展的空间高速光通信演示验证项目，目的是验证空间激光通信链路与网络技术。预计2019年中期搭载空间实验卫星STPSat-6发射升空，主要开展GEO-地面站之间的双向激光通信试验，即地面站-GEO-地面站的中继激光通信试验[14-15]。LCRD可提供在轨寿命2年的高速激光通信服务。该项目由NASA GSFC、NASA JPL、麻省理工学院林肯实验室联合开发。

LCRD任务结构图如图1所示，由2个星上激光通信终端，2个光学地面站(一个位于夏威夷，一个位于加州)构成。主要参数：通信速率2.88 Gbps，通信制式兼容DPSK和PPM，通信距离45 000 km。

图1 LCRD任务结构图 Fig.1 Block diagram of LCRD mission

LCRD空间载荷包括2个独立的激光通信终端(OST)，分别与地面站或飞行平台建立激光通信链路；空间交换单元(SSU)管理LCRD载荷的控制、数据路由和遥控遥测指令。每个OST由光学模块(OM)、调制解调器和电控箱(CE)构成，载荷的结构图如图2所示。

光学模块(OM)包括1个口径为10.8 cm的卡塞格伦望远镜和1个两轴万向节，发射和接收的光信号通过单模光纤与望远镜耦合。

调制解调器支持PPM和DPSK信号，调制速率为2.88 Gbps，能够产生测试数据帧，同时具备自测功能，可以完成校准、内部回环测试。

电控箱(CE)包含光学载荷的指向、捕获、跟踪(PAT)软件，接收来自OM的反馈信号，生成PAT软件的控制信号，支持光轴校准和其他功能。

空间交换单元(SSU)是有效载荷的中央控制器。SSU将接收和路由用户数据，接收和处理有效载荷命令，并累积和传输有效载荷遥测信息。从一个空间通信终端接收到的用户数据，可以在SSU内部路由到两个目的端口。

据最新报道称，LCRD各单元设计、加工装调已完成(如图3)，正在进行空间环境适应性试验。预计2018年6月，各有效载荷将运送至航天器。

(2)集成的激光通信终端(ILLUMA-T)

该项目是对LCRD计划的拓展，NASA计划发展低成本的近地集成ILLUMA-T终端，预计2021年初发射至国际空间站(ISS)，目的是建立GEO-LEO之间的双向通信链路，完成ISS-LCRD-地面站空间组网，如图4所示[16]。通信速率为2.88 Gbps，通信制式兼容DPSK和PPM，终端质量小于30 kg，功耗为100 W，每个终端成本预计达500万美元。

图2 有效载荷单元子系统 Fig.2 Payload element subsystems

图3 LCRD各单元实物图 Fig.3 Images of LCRD parts

ILLUMA-T项目的主要目标如下：

(a)使用集成电子/光电子技术，减小了航天调制解调器的体积、重量、功耗和价格。

(b)使集成化的LEO空间调制解调器形成产业链。

(3)深空光通信(DSOC)

2023年，NASA计划发射一颗探索性金属卫星Psyche，在火星和木星之间运行，并搭载激光通信终端DSOC，进行一系列深空激光通信试验，通信距离为5 500万千米[17-18]。

系统架构如图5所示，在深空航天器上搭载了一个口径为22 cm、发射波长为1 550 nm、平均激光功率为4 W的深空激光通信终端，最大通信速率可支持267 Mbps的串联脉冲位置调制(SCPPM)。

地面激光发射机采用位于加利福尼亚州桌山的1 m直径光学望远镜。激光信号波长为1 064 nm，最大平均功率达到5 kW。地面信标光作为深空激光通信终端的指向参考，其可调制2 kbps的LDPC编码数据。

地面激光接收机采用位于加利福尼亚州帕洛马山的5 m直径海尔望远镜，收集下行链路微弱的深空光信号。使用具有信号处理功能的改进型单光子探测器组件对接收到的码字进行同步、解调和解码。

图4 ILLUMA-T演示示意图及终端图片 Fig.4 ILLUMA-T demonstration and laser communication terminal

该项目预计2018年～2019年进行地面试验测试，2023年搭载卫星Psyche发射，2026年运行至工作轨道。

2.2 欧洲

(1)欧洲数据中继系统(EDRS)

欧洲数据中继卫星系统(EDRS)包括3颗GEO卫星，每个卫星都搭载激光通信有效载荷(EDRS-A、EDRS-C、EDRS-D)，以实现星际信息传输，如图6所示(左)[19]。EDRS使得欧洲不再依赖于他国第三方基站进行空间数据高速传输，解除了欧洲信息传输独立性的潜在战略性危机。

2016年1月，EDRS的首个激光通信数据中继有效载荷EDRS-A寄宿在“欧洲通信卫星”(Eutelsat)9B上进入地球静止轨道。EDRS-A包含一个用于光学星间链路的激光通信终端(LCT)和一个用于星地链路的Ka波段无线电发射机。同年6月，EDRS-A与LEO卫星“哨兵-1A”进行了激光通信，接收了来自“哨兵-1A”的图片数据，然后通过Ka波段无线电发射机回传至地面，地面接收到的图片如图6所示(右)[20]。ESA拟在2018年发射EDRS-C，在2020年补充第三颗卫星EDRS-D构成“全球网”，从而实现全球数据中继服务。

图6 EDRS演示系统与EDRS-A接收的图片 Fig.6 EDRS demonstration system and EDRS-A receiving image

该星际LCT是前期德国TerraSAR X卫星与美国NFIRE卫星所搭载的LCT的升级版，通过增加激光发射功率、增加接收光学口径和适当降低通信速率来补偿长距离引起的大空间损耗。其主要性能指标为：通信距离为4.5万千米，激光发射功率为5 W，接收发射天线口径为135 mm，通信速率为1.8 Gbps，通信制式BPSK，激光波长为1 064 nm。

(2)OPTEL-μ

2018年1月，RUAG Space公司将发射一颗名为OPTEL-μ的微型激光通信终端至LEO。该系统由低轨道微型空间终端和地面终端组成，如图7所示。项目启动于2010年，目的是将LEO卫星上产生的数据以2.5 Gbps的速率传输到光学地面站[21-22]。微型空间终端的设计遵循轻小型、稳定型和多功能的原则，为各种低轨道小卫星平台服务。该终端的重量为8 kg、体积为8 L、功耗为45 W。

图7 OPTEL-μ演示系统 Fig.7 OPTEL-μ demonstration system

OPTEL-μ终端设计采用模块化方法，由光学头单元(OH，位于航天器外部的最低点面板上)、激光单元(LU，位于航天器内部)和电子单元(EU，位于航天器内部)3个功能单元构成，OH、LU和EU通过电缆和光纤相互连接。

光学头单元(OH)完成PAT的功能，确保卫星通过地面站期间光通信链路的建立与维持。OH的设计如图8所示，其中OH通过航天器面板上的切口安装。OH的主要物理参数如下：质量为4.4 kg，体积为204 mm×238 mm×226 mm。

图8 OH设计图 Fig.8 Optical head design

电子单元(EU)提供了完备的电气功能和性能来操作和控制OPTEL-μ终端，设计图如图9所示。EU由终端控制器、通信电子单元(TCU)、RF模块(RFM)和功率调节单元(PCU)组成。EU的主要物理参数如下：质量为1.8 kg，体积为207 mm×227 mm×65 mm。

激光单元(LU)由脉冲激光发射模块和光放大模块两个独立部分组成，两个模块使用光纤连接，如图10所示。激光发射模块由1 544 nm和1 565 nm两个独立的光通道构成，分别调制1.25 Gbps的OOK信号。光放大模块集成了两个独立的光纤放大器。LU的主要物理参数如下：质量为1.6 kg(PLT 0.9 kg；OFA 0.7 kg)，体积为218 mm×115 mm×61 mm，OFA 158 mm×165 mm×24 mm。

图9 EU设计图 Fig.9 Electronics board configuration

图10 激光发射模块和光放大模块设计图 Fig.10 Pulsed laser transmitter and optical fiber amplifier design

地面终端采用0.6 m口径的光学望远镜，发射1 064 nm、25 kbps 16-PPM调制的上行光信号。

(3)OPTEL-D

图11 OPTEL-D演示系统 Fig.11 OPTEL-D demonstration system

2020年10月，ESA计划发射一颗卫星执行Asteroid Impact Mission(AIM计划)，探索Didymos双星，防御行星碰撞地球[23]，并搭载RUAG Space公司研制的深空激光通信终端OPTEL-D执行深空激光通信任务，回传行星图像信息，演示系统如图11所示。OPTEL-D是RUAG Space公司花费了15年时间专门为深空激光通信设计的，兼具激光测距功能。表2列出了AIM光通信系统的主要参数。

表2 AIM光通信系统的主要参数

OPTEL-D终端原理框图如图12所示。该终端的光学望远镜采用消像散离轴反射式望远镜(口径135 mm、视场±0.3°)，并在前面引入单镜面粗指向装置(CPA)，CPA可以在方位(±90°)和垂直(±10°)方向转动，确保行星表面到地球的激光链路持续稳定工作。内部加入惯性伪星参考单元(IPSRU)，其发射出的光束与来自地球的信标光相叠加，用以消除平台震动，提高终端的下行指向能力。提前瞄准装置(PAA)用以提供预判性的精准指向和跟瞄，这主要用于克服星间相对运动对光束捕获带来的阻碍。

图12 OPTEL-D终端原理设计图及CPA结构图 Fig.12 Design schematic of OPTEL-D terminal and configuration of CPA

2.3 日本

(1)日本数据中继卫星(JDRS)

为了满足日益增长的高速数据传输需求，JAXA着手开发一种新的光学数据中继系统。该系统采用数据中继卫星JDRS，通过卫星间光链路和Ka波段馈线链路提供1.8 Gbps数据中继服务。JDRS目前处于初步设计阶段，计划于2019年发射。该项目的任务不仅是开发GEO光学终端，还包括地面设施和LEO光学终端。LEO光学终端将搭载在JAXA的光学观测卫星“先进光学卫星”(Advanced Optical Satellite)上，同样计划于2019年发射[24-25]。光数据中继系统的演示将在这两颗卫星之间进行，如图13所示。计划的任务期限是10年，在此期间，JDRS还将支持与JAXA的其他LEO航天器间的通信。

图13 JDRS演示系统示意图 Fig.13 JDRS demonstration system

主要技术指标如表3所示，其中返回方向是指从LEO卫星通过数据中继卫星返回地面站，前向是相反的。关键技术规格如下。

表3 JDRS和光学数据中继系统技术规格

*光链路和馈线链路的总误码率.

(2)先进激光仪器高速通信(HICALI)

NICT已经启动HICALI(High speed Communication with Advanced Laser Instrument)项目，以促进下一代空间激光通信技术研究。该项目的目标是实现10 Gbps量级，从地球同步卫星到光学地面站(OGS)的空间激光通信，通信波长为1 550 nm[26-27]。该激光通信终端将于2021年搭载高吞吐量卫星(HST)发射至地球同步轨道。图14显示了HICALI项目的示意图，它不仅将搭载HICALI终端，还将搭载射频(RF)终端。

HICALI项目的主要目标如下：

(1)在轨验证首次10 Gbps量级GEO到OGS的激光通信；

(2)在轨验证新型光调制/解调方法；

(3)在轨验证新型高速光学器件可靠性；

(4)激光束传播数据的获取和在轨实验经验积累。

HICALI项目于2014年进行了可行性研究，确定了关键部件：采用波分复用(WDM)技术的器件、光延迟线干涉仪、可调谐激光器组件(ITLAs)和高速数字处理器件等。

图14 HICALI演示系统示意图 Fig.14 HICALI demonstration system

3 空间激光通信发展趋势

空间激光通信技术近年来飞速发展，许多技术难题逐步被攻克。例如，快速高精度指向、捕获、跟踪(PAT)技术，大气湍流效应抑制及补偿技术，窄线宽大功率激光发射技术、低噪声光放大技术和高灵敏度DPSK/BPSK/QPSK光接收技术等。这些技术难题的攻克，为实现星际激光通信奠定了基础。纵观空间光通信技术领域的发展，呈现以下趋势。

3.1 高速化

近年来空间激光通信的迅速发展主要表征在速率方面，各国提出的计划有：

(1)2016年，欧洲发射了数据中继卫星系统EDRS的第一颗卫星EDRS-A，实现了在4.5万千米下速率1.8 Gbps的BPSK激光通信。

(2)2019年，日本计划发射数据中继卫星JDRS，进行高轨卫星对低轨卫星的激光通信及中继验证，采用DPSK通信制式，通信速率为1.8 Gbps。

(3)2019年，美国计划实施激光中继演示验证LCRD，进行高轨对地面的激光通信，采用DPSK通信制式，通信速率为2.88 Gbps。

(4)2021年，日本计划开展HICALI项目，促进下一代激光通信技术研究，并在LEO轨道上验证10 Gbps级激光通信。

如图15所示，空间激光通信从最初的2 Mbps、125 Mbps、622 Mbps，一直发展到1.8 Gbps、2.8 Gbps、10 Gbps，未来将达到40 Gbps、100 Gbps。

图15 空间激光通信高速化示意图 Fig.15 Schematic of high-speed space laser communication development

高速空间激光通信的主要优点是大容量实时信息传输，主要难点是高速率光发射以及高灵敏度接收等关键技术。主要技术途径包括高阶调制技术(QPSK/DQPSK/M-QAM等)、光复用技术(波分/时分/偏振/轨道角动量等)、高灵敏度相干接收技术等。

3.2 深空化

近地激光通信已经做了大量演示验证试验，NASA和ESA现已将深空激光通信列入研究计划，激光通信将成为深空探测活动的主要通信方式。

(1)2013年，美国实施了深空激光通信项目的第一步月球激光通信验证(LLCD)，实现了月球对地40万千米的长距离激光通信，为接下来更远距离的深空通信做准备。

(2)2020年，欧洲计划执行AIM计划，搭载激光通信终端OPTEL-D，进行7 500万千米超远距离激光通信。

(3)2023年，美国计划发射绕火星轨道的深空激光通信终端DSOC，进行5 500万千米火星对地球的深空激光通信。

深空激光通信的主要优点是可实现月球、火星、木星等超远距离深空探测任务信息的回传，主要难点是高功率光发射以及高灵敏度接收等关键技术。主要技术途径包括超高功率光发射技术、大口径光学天线技术、高灵敏度单光子探测技术等。

3.3 集成化

美国、欧洲和日本近年来都在发展集成化、轻量化、小型化的激光通信终端，搭载于小型LEO卫星上。

(1)2014年日本NICT研制了超小型LEO激光通信终端SOTA，整个终端质量小于5.9 kg，功耗小于40 W。

(2)2018年，日本NICT计划发射超小型激光通信终端VSOTA，运行于太阳同步轨道，终端质量小于1 kg，功耗小于10 W。

(3)2018年，欧洲计划发射OPTEL-μ微型激光通信终端至LEO，OPTEL-μ终端的设计满足轻小型、稳定型和多功能的要求，重量为8 kg、体积为8 L、功耗为45 W。

(4)2023年，美国NASA计划发射光子集成ILLUMA-T终端至ISS，通信收发机采用光电子集成技术，终端重量小于30 kg，功耗为100 W。

集成化激光通信终端的主要优点是体积小、重量轻、功耗低、稳定性好和成本低，通常搭载在低轨小卫星上。主要技术途径是光学天线和转台的轻量化、小型化，通信收发机的集成化。

3.4 网络化

目前，世界上空间激光通信都是点对点，严重影响了通信中继、组网和应用。激光通信组网是未来发展的必然趋势。

(1)2010年，美国提出转型卫星通信计划(TSAT)，旨在于2020年左右建立一个类似互联网的天基通信网络传输结构，将激光通信与微波通信集成互补，实现无盲点通信。

(2)2012年，ESA提出MEO计划“LaserLight”，将12颗MEO卫星通过激光链路组成环形网，目前正在建设中，2018年以后开始运营。

(3)2018年，美国Laser Light Global公司计划部署全球全光混合网络系统HALO，系统由8～12颗MEO卫星组成，链接已有的海底光缆和地面光纤网络。系统容量可达6 Tbps，用户双向链路达200 Gbps。

激光通信网络化的主要优点是通信网络快速、实时、广域，主要难点是小束散角组网、动态拓扑接入、长延时等。主要技术途径是突破“一对多”激光通信技术、突破“多制式兼容”激光通信技术、突破全光中继技术、研究动态路由解决接入难题、寻求激光微波通信联合体制等。

3.5 一体化

空间激光通信与测距具有许多相似性，例如，它们都需要指向、捕获、跟踪(PAT)单元，脉冲时序检测，都受到大气影响等。因此，可以把它们有效结合成一个系统，通过发送与接收单束激光实现通信与测距功能的复合。主要代表有：

(1)2009年，俄罗斯在GLONASS-K卫星上搭载星间激光测距通信系统并完成在轨试验，链路距离为55 000 km，信息速率为50 kbit/s，测距精度为3 cm。

(2)2013年，美国NASA的LLCD系统，除622 Mbps激光通信外，还可完成3 cm精度的激光测距功能。

(3)2020年，ESA计划发射一颗卫星执行AIM计划，该卫星搭载深空激光通信终端OPTEL-D，OPTEL-D同时具备激光通信与测距功能。

在通信测距一体化方面，主要优点是通信与测距相结合，使一种设备具有多任务功能，从而降低对体积、功耗的要求，并提高系统的性价比。主要难点是抗干扰能力差、测距光能弱。主要技术途径是采用测距与通信共波长、调制双体制、伪码与通信信号变换技术等。

4 结束语

空间激光通信凭借其带宽优势，有望成为未来空间高速通信的主要方式。美国、欧洲、日本等对空间激光通信系统所涉及的各项关键技术展开了全面深入的研究，已开发出多套卫星激光通信终端，并成功完成多项在轨试验，正在规划建设可覆盖全球的天基激光通信网络。我国空间激光通信虽然起步较晚，但在十一五、十二五期间已经布置了大量空间激光通信的研究内容，攻关了快速捕获跟踪技术、高灵敏度相干通信技术、大气湍流抑制技术、自适应光学技术等关键技术。且已成功进行了多个在轨演示验证项目，包括LEO-地、GEO-地的在轨验证。与欧美国家相比，在星间通信、深空激光通信方面仍有一定的差距。

本文介绍了国际上空间激光通信最近的研究计划及未来的发展趋势，有助于及时了解发达国家在空间激光通信方面的设想及规划。把握国际上空间激光通信技术的发展趋势，有利于提前做好技术准备，使我国空间激光通信技术稳步发展。