國內外衛星激光通信技術及其星載終端系統發展情況

原標題：國內外衛星激光通信技術及其星載終端系統發展情況

本文轉載自高端裝備發展研究中心

隨著國際航天航空科技領域的迅猛擴張與發展，世界各國越來越重視衛星激光通信技術的研究與突破，為更好地推進該技術並快速佔領國際市場，特別是美國、歐洲、日本、俄羅斯等發達國家陸續啟動了一系列研究計劃和項目規劃，分別研製出不同用途、不同種類、不同性能的激光通信系統及通信終端，為後續的發展和研究提供了寶貴的經驗和指導，同時也為國家的經濟、國防等做出了重大貢獻。總體來看，美國、歐洲、日本等國在該領域的研究起步早，目前處於國際領跑地位，中國起步相對較晚。

? 美國

美國NASA早期就開展了空間激光通信技術研究，如「激光通信演示系統」（OCD）、「轉型衛星通信系統」（TSAT）、月球激光通信演示（LLCD）等項目研究，為後期技術發展奠定了良好的技術基礎。NASA致力推進激光技術成為未來太空通信的通用形式，近年來，已開展多個技術研發項目：一是「激光通信中繼演示驗證」（LCRD）；二是「深空光學通信」（DSOC）。預計2023年作為NASA「發現」項目「普賽克」任務的一部分發射升空。屆時，「普賽克」航天器將攜帶DSOC激光裝置飛抵一顆由金屬元素組成的小行星，測試激光通信技術，據稱通信距離比LCRD任務更遠。三是NASA格倫研究中心團隊正在開發「一體化射頻與光學通信」（IROC）概念，計劃向火星軌道發送一顆激光通信中繼衛星，用於接收遠距離航天器的數據並將數據中繼至地球。

美國OCD激光演示通信系統

OCD激光演示通信系統（Optical Communication Demonstrator）是JPL和NASA於1994年合作研製的一套激光通信系統，該實驗室先後研製了兩套OCD激光通信終端，即OCD I和改良型OCD II，兩者的具體性能參數見表，其中一套為原理樣機，具有結構小巧簡單、集成度高等特點，通信波長為830nm波段，調製解調方式採用開關鍵控。

主要用於低軌衛星與地面站鏈接。該終端系統主要由電荷耦合器件（CCD）陣列、直徑為10cm的光學天線、高帶寬的跟瞄裝置和光纖耦合裝置等構成，如上圖所示。

OCD I 與OCD II參數對比表

在捕獲階段，OCD系統的ATP探測器接收視場為6mrad、幀頻為10KHz@512pixel×512pixel；在跟蹤階段，探測器接收視場為12μrad，幀頻為2MHz@10pixel×10pixel，同時為了達到跟蹤精度、控制帶寬的要求，該系統採用了更先進、功能更強大的焦平面陣列探測器（Focal Plane Array Detector，FPAD）和快速反射鏡（Fine Steering Mirror，FSM）。在2000年，激光通信演示系統在地面45公里激光鏈路的試驗中，成功驗證了單個快速反射鏡系統的可行性。

月球激光通信演示（LLCD）終端系統

LLCD計劃是NASA的「月球探測計劃」。它是NASA首次嘗試開發用於行星際探測器的高性能激光通信系統。第一個LLCD太空終端搭載美國國家航空航天局的月球大氣和塵埃環境探測器航天器（簡稱LADEE）於2013年9月成功進入預定軌道。

LLCD構成圖

該計劃由麻省理工學院、林肯實驗室與美國宇航局戈達德航天中心合作管理。目標是展示從月球軌道上的航天器到地面接收機的雙工光通信。LLCD為上行鏈路實現高達620Mbit/s的數據速率，為下行鏈路實現20Mbit/s的數據速率。

此外，有效載荷顯示激光測距，其誤差小於200皮秒的雙向飛行時間誤差可提供亞厘米級的精度。

LLCD系統由三個主要部分組成：安裝在LADEE上的激光通信終端LLST（Lunar Lasercom Space Terminal）和安裝在地球上的激光通信管控中心以及激光通信地面終端。

Lunar Lasercom Space Terminal

美國宇航局和林肯實驗室共同開始研製的LLST安裝在LADEE航天器的有效載荷模塊上，由一個光學模塊，一個數據機模塊和一個電子模塊組成。該系統在運行過程中需要大約137瓦的功率，重約32千克。光學有效載荷安裝在LADEE外部，而數據機和電子部件位於其內部。

LLCD Optical Module

其光學模塊是一個10厘米的卡塞格倫望遠鏡（使用一個主凹鏡和一個圍繞光軸排列的輔助凸鏡將光線聚焦在探測器上）。望遠鏡安裝在一個雙軸萬向節組件上，使LLCD可以從各種航天器方向進行操作。該組件採用磁流體動力學慣性參考單元進行慣性穩定，該單元拒絕任何高頻運動以保持光學器件完美穩定。

LLCD系統主要參數

2013年10月，LLST與地面通信設備成功建立了雙向的激光鏈路，實現了月地激光通信，成為世界上通信距離最遠的激光通信系統。終端設備的詳細參數如表所示。

由於其高功率需求，LADEE上的激光通信終端將僅在到達月球軌道後的航天器試運行中使用。由於功率限制，LLCD累積約有16小時的運行時間，每次軌道通過使用最多15分鐘。此外，該系統只能在白沙地面站或ESA站處於使用狀態時使用，從而將激光通信級數數量減少到每天約5次。

LLCD Operations

激光通信中繼演示計劃（Laser Communications Relay Demonstration，LCRD）

受限於月地激光鏈路建立的時間（僅為16小時），鏈路保持的時間較短，為更進一步研究、突破深空激光通信技術及全球化組網技術，美國宇航局已經啟動了另一項研究計劃，即「激光通信中繼演示計劃（Laser Communications Relay Demonstration，LCRD）」。

LCRD是NASA戈達德太空飛行中心（GSFC），噴氣推進實驗室-加利福尼亞理工學院（JPL）和麻省理工學院林肯實驗室（MITLL）的聯合項目。

NASA正在擴大其通信能力，將光中繼作為下一代通信和導航體系結構的一部分。LCRD項目將跟蹤NASA過去在月球激光通信演示（LLCD）方面取得的成功。LCRD由兩個光通信終端和相關電子設備組成，作為地球同步衛星的有效載荷。預計雙向用戶數據速率高達1.244Gbps。兩個激光接收地面站將作為光中繼線幹線的地面站和模擬光中繼用戶。

LCRD Mission Architecture Diagram

LCRD任務發生了重大變化。飛行有效載荷現在將在空間測試計劃衛星6（STPSat-6）上飛行。航天器的變化也伴隨著其他變化，包括增加高帶寬的Ka波段RF鏈路和重新定位航天器的運行。除了這些變化之外，被稱為光地面站2（OGS-2）的第二個光地面站已經搬遷到夏威夷。新的LCRD Mission Architecture Diagram如圖所示。

LCRD變化的一些動機是未來空間通信中繼架構的演變策略。NASA計劃於2019年發射其星載激光通信終端至地球同步軌道，開展為期2年的激光通信中繼演示驗證任務。任務中，位於美國加州的地面站將向距地約3.6萬千米的地球同步軌道星載激光通信終端發射激光信號，隨後地球同步軌道星載激光通信終端將信號中繼到另一個地面站。目前，NASA的LCRD系統已成功通過關鍵決策點評審，進入開發整合與測試階段。

? 歐洲

對於激光通信技術的研究，歐洲先後制定並實施衛星激光通信相關的研究計劃，從而出現相應的激光通信終端。具有代表性的研究單位及國家有歐空局（ESA）、德國航天中心（Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt，DLR）、德國航天局（German Space Agency, GSA）、法國、瑞士等。

SILEX激光通信終端OPALE和PASTEL

SILEX（Semiconductor-laser Intersatellite Link Experiment）計劃，即「半導體激光星間鏈路試驗」計劃包含OPALE和PASTEL激光通信終端，分別裝載於歐洲航天局（ESA）的高級中繼技術任務衛星（ARTEMIS）和法國的地球觀測衛星（SPOT-4）上，搭載的衛星外形如圖。

SILEX計劃組成圖

兩系統結構不同之處在於:OPALE終端裝載了信標光發射系統（19支A1GaAs激光二極體），而PASTEL終端上沒有裝載信標光發射系統。該計劃成功地解決了激光通信終端的精密光學瞄準捕獲跟蹤這一主要關鍵技術，所研製的複合軸的粗/精跟瞄系統已經直接應用於新一代的高碼率OPTEL（由瑞士研製）和TSX-LCT（由德國研製）等激光通信終端中。

SILEX激光通信終端系統及搭載衛星的外形圖:ARTEMIS（左）和SPOT-4（右）

SILEX激光通信終端的光學系統主要由光學天線、激光器、光束準直透鏡組及光電探測器等組成，其光學系統參數如下表所示。

SILEX激光通信終端OPALE和PASTEL的發展情況：

EDRS歐洲數據中繼衛星系統計劃

在對SILEX系統進行反覆的試驗驗證，掌握成熟技術之後，歐空局開始部署新一代激光通信數據中繼衛星系統（European Data Relay Satellite System，EDRS）計劃。EDRS的目的是在LEO衛星和GEO衛星之間成功建立穩定可靠鏈路，並能夠進行高速率的信息雙向傳輸。

EDRS原理樣機

EDRS是由ESA（研發）和空客防務及航天公司（負責系統的建造、發射和運營）共同研發，是世界首個獨立運行的商業化空間激光通信系統。EDRS通過採用激光通信技術在地球靜止軌道為近地軌道衛星、機載平台向歐洲地面站近實時地中繼傳輸大量數據。EDRS一期系統的空間段包括兩個地球靜止軌道節點，分別是EDRS-A數據中繼有效載荷和配置了數據中繼有效載荷的EDRS-C專用衛星。

EDRS的首個激光通信中繼載荷EDRS-A已於2016年1月30日成功發射，邁出了構建全球首個衛星激光通信業務化運行系統的重要一步。EDRS-A可提供激光和Ka波段兩種雙向星間鏈路，星間傳輸速率可達1.8吉比特/秒。在完成一系列在軌測試後，EDRS-A於2016年6月成功傳輸了歐洲「哨兵」1A雷達衛星的圖像，並於2016年7月進入業務運行階段。EDRS-A載荷實現在軌服務，表明歐洲已率先實現星間高速激光通信技術的業務化應用，是近年來歐洲航天技術快速發展的一個重要里程碑。

ESA計劃在2020年擴展成為全球覆蓋系統，形成以激光數據中繼衛星與載荷為骨幹的天基信息網，實現衛星、空中平台觀測數據的近實時傳輸。

? 日本

日本通信終端研製最為成功的有ETS-VI計劃（Japanese Engineering Test Satellite VI，ETS-VI）和OICETS計劃（Optical Inter-orbit Communication Engineering Test Satellite，OICETS）。

ETS-VI衛星激光通信終端LCE

工程試驗衛星（ETS-VI）裝載的激光通信終端LCE由日本郵電部CRL研製。1995年日本成功實現光通信終端LCE與地面站之間激光通信，此次試驗為世界上首次成功完成的星地激光通信。系統主要包括二維轉檯、光學天線、精瞄準裝置、預瞄準裝置、光束準直器、通信激光器等。LCE終端得光學天線為收發一體透射型，口徑75mm，壓縮比為15。

ETS-VI衛星正常運行至1996年7月，之後因為故障中斷了星地鏈路，試驗結束。美國JPL的地面通信終端TMF與ETS-VI衛星之間建立星地鏈路，實現激光通信。

日本OICETS衛星激光通信終端LUCE

在ETS-VI計劃完成GEO衛星與地面終端通信後，為研究LEO衛星與地面終端之間的激光鏈路特性和激光通信技術，日本宇宙開發事業部NASDA研製了搭載於光學在軌測試通信衛星OICETS的通信終端LUCE（Laser Utilizing Communication Equipment，LUCE）。

LUCE激光通信終端

2003年9月，LUCE終端與ESA的OPALE終端系統進行光通信實驗，用於實現對捕獲、跟蹤和瞄準技術等關鍵技術的驗證，通過不斷的調整和試驗，最終成功建立雙向鏈路，實現星地雙向激光通信，系統採用IM/DD調製體制，上行、下行傳輸速率分別為2.048Mbps, 49.372Mbps。OICETS衛星在2006年3月與地面通信終端KODEN建立鏈路，與前次通信試驗不同的是，LUCE終端沒有信標光束，地面平台既有信標光又有信號光。

SOCRATES計劃激光通信終端SOTA

SOTA終端

日本國家情報與通信技術研究所在2008年啟動先進空間激光通信技術衛星項目the Space Optical Communication Research Advanced Technology Satellite，SOCRATES計劃，該計劃旨在驗證適用於50千克級小衛星的「小型光學通信終端」（SOTA）。2011年SOTA被成功研製出。2014年5月，SOTA搭載低軌小衛星發射入軌，並於2014年8月至11月間成功開展了低軌衛星對地激光通信試驗。SOTA總質量僅為5.8千克，最遠通信距離達1000千米，下行通信速率10兆比特/秒，可構建絕對安全的全球光通信網路，使得飛機、衛星收集的高解析度圖像數據可通過空間激光通信鏈路下傳至地面站。

最新發展

日本2015年1月9日公布的新版《宇宙基本計劃》將「激光數據中繼衛星」計劃正式列入其中，並於2015財年下撥了32.08億日元作為啟動經費。日本計劃2019年發射「激光數據中繼衛星」，將當前數據中繼系統的微波鏈路替換為激光鏈路，通過激光實現先進光學衛星等新一代高解析度對地觀測衛星之間的通信，預設通信速率達2.5吉比特/秒，屆時將使日本獲得更高速的實時觀測能力。

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