应用于小行星勘测的激光通信系统

尚吉扬 袁杰 于大海 张宇 郑璧青

摘要：随着深空探测技术的发展，小行星探测已成为21世纪深空探测的重要内容之一。利用小型遥控探测器对小行星表面进行考察过程中，传输高分辨率图像和三维影像信号至地面是关键。如果能用激光进行远距离通信，可以缩小体积，提高速度及光束质量。

关键词：激光通信;小行星探测;激光应用

中图分类号：TP391.41;V476 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）04-0015-01

0 引言

我们能够建立一个激光通信系统，实行小行星勘测任务，为实时通信和3D高清晰度视频提供更好的数据质量。对于地面控制人员提供“网真技术”。

本文首先讨论了激光通信技术的优势，调研了光通信技术研究进展情况，初步探讨了光通信技术在实际应用中的关键技术，为研究光通信系统走向实用化提供技术参考。

1 激光通信系统优势

在深空距离上进行通信十分困难，通信波束随发射机和接收机之间的距离呈平方扩散，通信难度也随着距离的增加呈二次方增大。目前的通信技术可以方便的建立地球同步軌道（GEO）和地面之间的通信并能维持在Gbps这样的数据速率，而到火星的距离上的数据传输速率只能维持在几十到几百kbps，到了海王星和冥王星的距离上，只能实现1bps的通信速率。由于目前微波频段的通信天线已经十分巨大，并且在深空探测中探测器供电受限很难提高发射机的功率，因此以现有的微波通信技术基础上已经很难再提高深空探测的通信速率。

在通信技术中提高通信信号的工作载频能最大限度的改善通信性能，相比于X波段（8GHz）和Ka波段（32GHz），光通信的频率更高（约300000GHz），可以使通信系统的性能得到很大改善，这在目前的全球光纤通信中已经得到了证实，而在深空自由空间通信中，虽然存在一些不利的实际因素（如大气损失、接收机灵敏度等），但是更高的载频所带来的同频率平方关系的得益更大。图1所示了光自由空间传输的波束扩散要小的多的情况。

图1中左边为Voyager航天器从土星用X波段发回地球的波束，发射天线直径为3.7m，当波束到达地球时由于衍射使得信号扩散成1000地球直径宽的面积。右图为从10cm口径光学望远镜发回地球的光波波束，假定光波长为1μm（频率300THz），那么到地球的光点尺寸仅一个地球直径宽。这表明水平和垂直方向上接收能量集中度高1000倍，功率密度提高106倍，并且这还是航天器用小得多的发射天线实现的（光学天线0.1m，X波段天线3.7m）。这种行对X波段的波长平方增益约为90dB，实际中考虑光通信的量子效应和实施问题，预计当前实际增益限制到约60dB。

深空激光通信相比于微波通信，可以以更小的尺寸、更轻的重量、更低的功耗实现高速率通信;相比于太赫兹通信技术，激光通信技术中应用的各个单元更加成熟可靠。

2 国内外研究现状调研

目前，美国、日本和欧洲多国在空间激光通信链路理论研究和试验系统研制关键技术方面已经获得重大突破，正在加紧进行空间光通信工程化系统的研制工作。最近，美国NASA已经在月球大气尘埃环境探测器（LADEE）上进行了月地激光通信，获得的下行链路数据传输速率可达620Mbps，上行链路数据传输速率可达20Mbps，而整个星上通信子系统的重量约为43kg，总功耗约为148W。由NASA的月地激光通信验证试验可以看出目前深空激光通信方面的相关技术已经逐渐成熟。

3 研究内容

要进行月地激光通信演示系统研究，目标是建立月球与地球行星距离的激光通信，利用脉冲激光束完成地月之间的双向数据传输，设计的数据传输率是几十到几百Mbps，这是以前微波射频深空通信所无法比拟的。

星上终端采用直径30cm的天线，雪崩光电二极管（APD）接收，发射采用由半导体激光器和EDFA组合而成的主激光器-功率放大器结构提高发射功率，采用脉冲相位调制（PPM）。波束非常窄的激光需要在移动状态下利用ATP子系统准确地发送到地面站。来消除航天器微小的摆动，这也是远瞄准和跟踪系统所要求应对的挑战之一。

地面终端采用的天线由一个发射和接收望远镜阵列和控制器组成，控制器用于调整和保持望远镜能指向彼此。一个超导的，冷却到3开氏度的纳米线探测器能实现高灵敏度探测。整个链路的通信波长采用1060nm可结合光纤技术的激光波长。主要研究内容有：（1）空间激光通信链路特性分析;（2）空天背景光特性分析;（3）大气、云层信道特性分析;（4）动态高精度跟踪、捕获、瞄准系统（APT）研究;（5）空间激光通信工作流程研究;（6）空间激光通信系统星上发射、接收单元光机结构设计;（7）通信发射单元光放大技术研究;（8）通信发射单元调制、编码技术研究;（9）通信接收单元探测器研究。

由于其技术难度和经费需求巨大，故难以在短期内投入工程应用。但为给将来工程应用奠定坚实的基础，目前应抓紧开展关键技术研究。需要开展研究的关键技术主要包括以下几项[2]：（1）动态高精度跟踪、捕获、瞄准技术（APT）;（2）大口径接收望远镜技术;（3）高功率高重频激光器技术;（4）阵列望远镜技术;（5）强背景条件下微弱信号探测技术;（6）高速数据编码和解码技术。

4 结语

深空光通信和深空激光测控技术是极具潜力的新的深空测控体制。结合我国小行星探测任务，空间激光通信的发展为今后深空探测任务中高速数据链的建设提供了有效的解决途径。系统研究与关键技术和器件的研究会继续深入下去，航天器携带的激光终端会越来越小，发射功率会越来越大，对准精度会越来越高，稳定性会越来越好，通信速率会越来越高，同时地面站的捕获、瞄准、跟踪与发射接收能力也会大大提高，整体通信系统的能力会越来越好，最终会向实际的地面站和自由空间的实用系统进行转化，并投入到未来的实际深空探测任务中去[3]。

参考文献

[1] 朱恩涌，孙国江，果琳丽，等.我国小行星探测发展思路及关键技术探讨[J].航天器工程，2012，21（03）：96-100.

[2] 于志坚.深空测控通信系统[M].国防工业出版社，2009.

[3] 周贤伟，尹志忠等.现代通信高技术丛书：深空通信[M].国防工业出版社，2009.