遠(yuǎn)望智庫(kù)技術(shù)預(yù)警中心：不會(huì)游泳的魚(yú)

摘要：為了滿足日益增長(zhǎng)的大數(shù)據(jù)量、高速數(shù)據(jù)傳輸速率的需求，NASA、ESA、JAXA等航天機(jī)構(gòu)正在開(kāi)啟空間激光通信技術(shù)的時(shí)代。各國(guó)紛紛在GEO-LEO，LEO-LEO，LEO-地面，以及地-月等不同軌道驗(yàn)證了激光通信終端的在軌性能。本文介紹了國(guó)外開(kāi)展的激光通信技術(shù)演示驗(yàn)證試驗(yàn)情況，分析了激光通信技術(shù)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。期望通過(guò)該技術(shù)的研究，對(duì)我國(guó)激光通信技術(shù)的發(fā)展提供參考借鑒。

1 引言

隨著空間技術(shù)的不斷發(fā)展，空間激光通信在全球通信中作用日漸明顯?？臻g激光通信，是利用激光單色性好、方向性強(qiáng)及功率密度大等良好的光束特性，實(shí)現(xiàn)以激光光波為載體在空間（包括近地的大氣空間、臨近空間、LEO/GEO、星際空間、深空等）信道之間進(jìn)行信息交換的通信方式。近年來(lái)，隨著科學(xué)任務(wù)高速數(shù)據(jù)下行的需求越來(lái)越大，射頻通信已難以滿足高速數(shù)據(jù)的通信需求。激光通信系具有傳輸速率更高、抗干擾性更強(qiáng)、體積更小等特點(diǎn)，在全球通信中的作用日趨明顯。本文主要探討激光通信的技術(shù)特點(diǎn)，分析了各國(guó)激光通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與戰(zhàn)略規(guī)劃，重點(diǎn)研究了國(guó)外主要的幾項(xiàng)演示驗(yàn)證試驗(yàn)情況。通過(guò)本文對(duì)國(guó)外激光通信技術(shù)的研究，期望對(duì)我國(guó)在該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展起到一定的啟示和借鑒作用。

2 激光通信的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

空間激光通信是利用激光波長(zhǎng)短、亮度高、高準(zhǔn)直特性實(shí)現(xiàn)飛行器之間高速數(shù)據(jù)交換的一種新方法，是有別于當(dāng)前廣泛采用的星間射頻通信的一種新手段，它具有以下四個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：

數(shù)據(jù)傳輸率高，通信容量大。星間光通信其載波頻率在1013-1015Hz，比微波通信高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，單通道就可提供高達(dá)10Gbps量級(jí)以上的數(shù)據(jù)傳輸率，遠(yuǎn)大于目前微波通信幾百M(fèi)bps的數(shù)據(jù)傳輸率。通過(guò)波分復(fù)用可以達(dá)到數(shù)百Gbps以上。

較小的發(fā)射功率需求。光束發(fā)散角遠(yuǎn)小于微波通信的波束發(fā)散角，所以星間光通信的天線增益遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于微波通信。

較小的收發(fā)射天線和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。光通信的工作波長(zhǎng)比微波通信工作波長(zhǎng)小3~5個(gè)量級(jí)，其系統(tǒng)的重量和體積相對(duì)更小更輕。

高保密性和抗干擾能力。與射頻通信不同，激光通信是采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信模式，因而具有高保密、抗干擾性強(qiáng)、截獲能力強(qiáng)的特點(diǎn)，所以在軍事領(lǐng)域起到越來(lái)越重要的作用。盡管激光通信應(yīng)用于軍事領(lǐng)域會(huì)受到一定的限制（大氣、全天候、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境等），但將激光通信和射頻通信進(jìn)行復(fù)合模式工作，已經(jīng)成為未來(lái)軍事通信的趨勢(shì)。

下表給出了激光通信與微波通信的技術(shù)參數(shù)比對(duì)。

表1微波通信與激光通信系統(tǒng)的比較

3 國(guó)外激光通信演示驗(yàn)證試驗(yàn)

3.1 深空激光通信

3.1.1月球激光通信演示驗(yàn)證（LLCD）

2005年，NASA委托MIT林肯實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始進(jìn)行月球激光通信演示驗(yàn)證試驗(yàn)（Lunar Laser Communication Demonstration,LLCD）的研制，首次嘗試地基接收器與月球軌道器之間的高速激光通信。2013年，月球大氣與塵埃環(huán)境探測(cè)器（LunarAtmosphere and Dust Environment Explorer，LADEE）攜帶了LLCD通信終端發(fā)射升空。

2013年11月，試驗(yàn)取得了較大成功，星上終端捕獲到了地面發(fā)射的信標(biāo)光并成功進(jìn)行了跟蹤。之后，分別進(jìn)行了下行622Mbps，上行20Mbps的通信試驗(yàn)。而且驗(yàn)證了在不同天氣條件下的鏈路建立。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在薄云天氣、小地平角、近太陽(yáng)條件下，通信終端都成功的建立了激光鏈路。并且在上行20Mbps的試驗(yàn)中，首次實(shí)現(xiàn)了全程無(wú)誤碼傳輸?shù)慕Y(jié)果。這是人類(lèi)歷史上月地之間通信上行鏈路的最好成績(jī)。相比目前微波通道的上行數(shù)據(jù)率僅為1~2 kbps，提高是巨大的。

圖1 LADEE的激光通信試驗(yàn)

（1）試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

• 驗(yàn)證地-月距離（約為38萬(wàn)公里）下的激光通信技術(shù)；
• 利用激光信道實(shí)時(shí)傳輸月球探測(cè)器的高清圖像數(shù)據(jù)。

（2）技術(shù)挑戰(zhàn)

• 遠(yuǎn)距離（380000km）
• 高數(shù)據(jù)率：上行10~20Mbps（目前月-地間微波通道速率上行 1~10Kbps）；下行：40~622Mbps；
• 驗(yàn)證激光穿透薄云通信能力（Cloud Turbulence）；
• 驗(yàn)證地面站之間切換技術(shù)；
• 驗(yàn)證小地平角通信能力（SEP）；
• 驗(yàn)證大地平角通信能力；
• 星上大數(shù)據(jù)量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)發(fā)能力（目前的星上轉(zhuǎn)發(fā)通道39Mbps）。

（3）方案設(shè)計(jì)

LLCD包括：星上終端（Lunar Laser Communication Space Terminal, LLST ）、地面終端（Lunar Laser Communication GroundTerminal, LLGT），以及操作中心（Lunar Laser CommunicationOperation Center，LLOC）。

星上終端總質(zhì)量32.8kg，功率136.5W，由光學(xué)艙、電子艙和調(diào)制解調(diào)艙三部分組成。主要技術(shù)指標(biāo)如下：

圖2 LADEE和激光通信終端

表2LLCD的指標(biāo)參數(shù)

LLCD試驗(yàn)有三個(gè)地面接收系統(tǒng)，分別是MIT研制的LLGT（位于新墨西哥White Sands），JPL設(shè)計(jì)的OCTL（位于加州），ESA的LLOGS（位于西班牙Tenerife島）。

圖3 美國(guó)月地激光通信地面站分布圖

（上圖為MIT-LLGT，左下為 NASA-OCTL 右下為SPAIN-OGS）

LLGT為L(zhǎng)LCD的主要地面終端，這是一個(gè)移動(dòng)型地面接收系統(tǒng)。具有溫控外殼，高約4.5m，總質(zhì)量7t，與目前的無(wú)線電通信地面天線相比，尺寸和重量減少約75%。 LLCD 的目標(biāo)之一是演示驗(yàn)證多孔徑合成光信號(hào)收發(fā)技術(shù)。

圖4 月球激光通信地面終端（LLGT）

3.1.2火星激光通信演示驗(yàn)證（MLCD）

NASA于2003年開(kāi)始執(zhí)行火星激光通信驗(yàn)證（MARS Laser CommunicationDemonstration，MLCD）項(xiàng)目，目的是提供深空光學(xué)鏈路的早期經(jīng)驗(yàn)。該項(xiàng)目由NASA／哥達(dá)德航天飛行中心（GSFC）管理，其星上子系統(tǒng)由麻省理工學(xué)院（MIT）林肯實(shí)驗(yàn)室（LL）研制，而地面子系統(tǒng)則由JPL和MIT-LL共同研制。星上終端計(jì)劃在火星通信軌道器（MTO）上進(jìn)行飛行試驗(yàn)，該任務(wù)原定于2009年10月發(fā)射。MLCD項(xiàng)目于2004年10月成功完成了系統(tǒng)要求評(píng)審，又于2005年3-5月完成了星上終端與地面終端的初步設(shè)計(jì)評(píng)審。后來(lái)由于NASA內(nèi)部的計(jì)劃變更，中止了MLCD項(xiàng)目。但是在MLCD項(xiàng)目進(jìn)行期間，深空光學(xué)通信要求的定義和設(shè)計(jì)是非常先進(jìn)的，該項(xiàng)目對(duì)于來(lái)自空間的波束穩(wěn)定化和在地面上的有效光子計(jì)算與日間操作等各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)都進(jìn)行了開(kāi)發(fā)。

（1）試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

• 演示火-地下行光通信鏈路，在可行的條件下，數(shù)據(jù)率為10-100Mbps
• 使用激光下行通信鏈路傳輸火星探測(cè)器的科學(xué)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)通道
• 演示地球到火星的上行鏈路，數(shù)據(jù)率至少為10kbps
• 最后驗(yàn)證并收集在不同鏈路距離及不同天氣情況下的光通信系統(tǒng)性能數(shù)據(jù)

（2）技術(shù)挑戰(zhàn)

• 超遠(yuǎn)距離地-火通信（0.2AU ~ 2.7AU ）
• 高數(shù)據(jù)量需求：最大傳輸數(shù)據(jù) 1.1 Tbps/天（相當(dāng)于NASA 火星探測(cè)軌道器1天存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量）；上行：100kbps~2Mbps；下行：0.7 - 260 Mbps
• 星上大數(shù)據(jù)量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)發(fā)能力（目前的星上轉(zhuǎn)發(fā)通道39Mbps）

（3）方案設(shè)計(jì)

MLCD包括星上終端（MLST）和地面移動(dòng)終端（LLGT）兩部分。MLCD質(zhì)量38kg，平均功率不超過(guò)110W。下行鏈路最大速率260Mbps，上行鏈路最大速率2-292kbps，可抵抗20krad輻射。

圖5 MLCD鏈路示意圖及激光通信終端布局圖

星上終端（MLST）由光學(xué)機(jī)構(gòu)和電子控制機(jī)構(gòu)組成。光學(xué)機(jī)構(gòu)發(fā)射/接收口徑：30cm；束散角：15μrad；下行發(fā)射功率：0.5W。MSLT光學(xué)發(fā)射天線采用主動(dòng)隔振的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，光學(xué)天線采用卡賽格倫鏡頭，底座進(jìn)行主動(dòng)隔振。電子艙采用疊板結(jié)構(gòu)，共由四部分組成：高速數(shù)據(jù)調(diào)制單元、模擬電路處理單元、數(shù)字電路處理單元、二次電源單元。MLST構(gòu)型詳見(jiàn)下圖。

圖6 火星激光通信星上終端

地面終端包括兩個(gè)地面站，一個(gè)為Hale望遠(yuǎn)鏡，位于帕洛馬山(美國(guó)加利福尼亞州西南部)，接收口徑5.08m (200-inch)；第二個(gè)是LDES望遠(yuǎn)鏡，兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，每個(gè)結(jié)構(gòu)上安裝兩個(gè)口徑0.8m的望遠(yuǎn)鏡，通過(guò)光纖耦合形式進(jìn)行發(fā)射和接收光信號(hào)。

圖7 MLCD地面接收望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)（Hale）

圖8 MLCD 地面接收望遠(yuǎn)鏡多孔徑接收

3.2 星間激光通信

3.2.1半導(dǎo)體星間鏈路試驗(yàn)（GEO-LEO）

半導(dǎo)體激光星間鏈路試驗(yàn)（Semiconductor laser Inter satellitelink Experiment ，SILEX）是世界上首個(gè)星間激光通信鏈路。SILEX系統(tǒng)組成包括GEO 星上終端- ARTEMIS（ESA 2001）和LEO 星上終端- SPOT-4 （French 1998）。作為SILEX計(jì)劃重要組成部分，ARTEMIS搭載的激光通信終端成功同相距40000km遠(yuǎn)的SPOT-4之間建立了激光鏈路，數(shù)據(jù)以50Mb/s的速率從LEO發(fā)射到GEO。

圖9 左圖為SPOT-4上的星載終端，右圖為SPOT-4衛(wèi)星平臺(tái)

SILEX的主要技術(shù)挑戰(zhàn)是：建立激光通信終端空間應(yīng)用；直接調(diào)制與檢測(cè)自由空間激光通信；高數(shù)據(jù)率：上行 20Mbps/下行：50 Mbps。SILEX的主要技術(shù)指標(biāo)：

表3SILEX通信鏈路指標(biāo)參數(shù)

3.2.2 ARTEMIS-OECETS（GEO-LEO）

2005年末，ARTEMIS又同JAXA光學(xué)通信工程試驗(yàn)衛(wèi)星（Optical Inter-orbit Communication Engineering Test Satellite ，OICETS）成功進(jìn)行了自由空間軌道間激光通信試驗(yàn)。星上搭載了由日本NEC 東芝空間系統(tǒng)公司研制的通信終端“激光利用通信設(shè)備”（Laser UtilizingCommunications Equipment，LUCE）。

（1）試驗(yàn)?zāi)康?/span>

• 驗(yàn)證大氣信道對(duì)相干鏈路的影響
• 分析星間和星地海量信息傳輸體制
• 驗(yàn)證零差BPSK相干通信技術(shù)的性能
• 驗(yàn)證系統(tǒng)的指向和跟蹤性能

（2）方案設(shè)計(jì)

LUCE通信終端包含光學(xué)艙和電子艙兩部分。光學(xué)艙包括一個(gè)安裝在兩軸驅(qū)動(dòng)萬(wàn)向架上的望遠(yuǎn)鏡，電子艙提供捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)的功能。光學(xué)天線如下圖所示，由一個(gè)直徑為26cm中央饋源的卡賽格倫望遠(yuǎn)鏡組成。其采用的通信方式為相干光通信，調(diào)制方式為BPSK方式，檢測(cè)方式為零差相干檢測(cè)。OICETS 通信鏈路指標(biāo)參數(shù)見(jiàn)下表，LUCE終端見(jiàn)下圖。

圖10 OICETS衛(wèi)星及其星上通信終端LUCE

表4ARTEMIS -OICETS通信鏈路指標(biāo)參數(shù)

2005年12月，ARTEMIS和OICETS進(jìn)行了星間激光通信鏈路試驗(yàn)。本次試驗(yàn)的不僅成功進(jìn)行了激光通信試驗(yàn)，而且成功完成了JAXA和ESA之間雙向通信。2006年3月，LUCE終端與日本國(guó)家信息通信技術(shù)研究所地面光學(xué)站成功進(jìn)行了雙向光學(xué)通信實(shí)驗(yàn)，同年6月，LUCE終端與德宇航移動(dòng)光學(xué)地面站（OGS）之間實(shí)現(xiàn)了光通信實(shí)驗(yàn)，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)低軌衛(wèi)星與光學(xué)地面站的激光通信試驗(yàn)。本次試驗(yàn)計(jì)劃的成功進(jìn)一步推動(dòng)了星間通信以及深空探測(cè)中采用光通信技術(shù)的可能。

圖11 ARTEMIS-OICETS星間通信操作圖

3.2.3中繼激光通信演示驗(yàn)證（GEO-地面）

繼月-地激光通信試驗(yàn)（LLCD）之后，NASA進(jìn)行了激光通信中繼演示衛(wèi)星（Laser Relay CommunicationDemonstration -LRCD）項(xiàng)目，計(jì)劃2018年3月發(fā)射。LCRD主要任務(wù)是發(fā)射一顆攜帶激光通信終端的衛(wèi)星到同步軌道，建立同步軌道與地面站之間的通信鏈路。此次項(xiàng)目的主要關(guān)鍵技術(shù)大部分延續(xù)了月地激光通信技術(shù)。

圖12 LCRD激光通信鏈路體系架構(gòu)

（1）試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

• 在GEO實(shí)現(xiàn)上行10M~20Mbps，下行2.88Gbps傳輸能力；
• 驗(yàn)證深空激光通信關(guān)鍵技術(shù)。

（2）技術(shù)挑戰(zhàn)

• 驗(yàn)證高軌以及近地軌道通信終端對(duì)地面終端捕獲技術(shù)；
• 星上大數(shù)據(jù)量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)發(fā)能力；
• 驗(yàn)證調(diào)制解調(diào)以及跟蹤等技術(shù)；
• 驗(yàn)證DPSK技術(shù)以及單光子計(jì)數(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。

圖13 衛(wèi)星平臺(tái)和星上通信終端

3.2.4TerraSAR-NFIRE（LEO-LEO）

DLR資助的著名項(xiàng)目LCTSX于2002年11月啟動(dòng)，其目的是通過(guò)GEO與GEO、GEO與LEO以及GEO與地面站之間的激光鏈路驗(yàn)證自由空間相干通信的可靠性。用于星間激光通信的兩個(gè)終端LCTs（Laser CommunicationTerminal），分別于2007年4月23日搭載美國(guó)的LEO衛(wèi)星NFIRE和2007年6月14日搭載德國(guó)的LEO衛(wèi)星TerraSAR-X發(fā)射升空。隨后，在2008年2月21日成功進(jìn)行了國(guó)際上首次星間相干激光通信實(shí)驗(yàn)。

圖14 安裝在TerraSAR-X艙外的LCT系統(tǒng)

表5 LCTSX 通信計(jì)劃（LEO-LEO）- 數(shù)據(jù)率最高星間激光通信試驗(yàn)

之后，ESA為了推進(jìn)星間激光通信的實(shí)用化，制定了歐洲數(shù)據(jù)中心衛(wèi)星（European Data RelaySatellite，EDRS）計(jì)劃：通過(guò)中繼星與地面站之間的微波通信，將星間高速光通信與地面通信連接起來(lái)形成一個(gè)混合式的通信網(wǎng)絡(luò)，目的是利用星間的高速激光通信來(lái)提升整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸能力。該計(jì)劃于2013年開(kāi)始實(shí)施。

4 激光通信的關(guān)鍵技術(shù)

空間激光通信主要有以下幾點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)：

（1）大功率光源技術(shù)

鑒于空間光通信傳輸距離長(zhǎng)及空間損耗大的特點(diǎn)，要求光發(fā)射機(jī)輸出功率大，且調(diào)制速率高。光源一般采用半導(dǎo)體激光器或半導(dǎo)體泵浦的YAG固體激光器，既可作為信號(hào)光源，也可作為信標(biāo)光源。工作波長(zhǎng)為0.8 -1.5μm近紅外波段。信標(biāo)光源應(yīng)能提供幾瓦量級(jí)的連續(xù)光或脈沖光，以便在大視場(chǎng)與高背景光干擾下，能快速、精確地捕獲和跟蹤目標(biāo)，可采用大功率單管或多管芯陣列組合以提高功率。通常信標(biāo)光的調(diào)制頻率為幾十赫茲至幾千赫茲，以克服背景光的干擾。信號(hào)光則選擇輸出功率為幾十毫瓦的半導(dǎo)體激光器，要求輸出光束質(zhì)量好、發(fā)散角小，調(diào)制頻率高（可達(dá)幾十GHz）。

（2）高靈敏度抗干擾的光信號(hào)接收技術(shù)

空間光通信系統(tǒng)中，光接收機(jī)收到的信號(hào)十分微弱，加之高背景噪聲場(chǎng)的干擾，導(dǎo)致接收端信噪比（S/N）<1。為了快速、精確地捕獲目標(biāo)和接收信號(hào)，通常采取兩方面的措施：一是提高接收端機(jī)的靈敏度，二是對(duì)所接收信號(hào)進(jìn)行處理。在光信道上采用光窄帶濾波器(干擾濾光片或原子濾光器等)，以抑制背景雜散光的干擾，在電信道上則采用微弱信號(hào)檢測(cè)與處理技術(shù)。

（3）精密、可靠及高增益的收發(fā)天線

為完成系統(tǒng)的雙向互逆跟蹤，空間光通信系統(tǒng)均采用收、發(fā)合一天線，隔離度近100%的精密光機(jī)組件。由于半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量一般較差，要求天線增益要高。另外，為適應(yīng)空間系統(tǒng)，天線（包括主副鏡，合束、分束濾光片等光學(xué)元件）總體結(jié)構(gòu)要緊湊、輕巧、穩(wěn)定可靠。目前天線口徑一般為幾厘米至25 cm。

（4）高靈敏度抗干擾接收機(jī)技術(shù)

星間距離可長(zhǎng)達(dá)4萬(wàn)km，而激光波束的強(qiáng)度是按距離的平方遞減的，也就是說(shuō)衰減可能達(dá)到-152 dB。接收機(jī)要有超高的靈敏度才行，否則背景輻射等噪聲產(chǎn)生的誤碼率將使接收機(jī)無(wú)法接收。目前，除提高檢測(cè)器本身靈敏度外，還在探討外差接收及糾錯(cuò)編碼等途徑。

（5）精確的瞄準(zhǔn)、捕獲和跟蹤（PAT）技術(shù)

激光信標(biāo)發(fā)射的光束很窄，在相距極遠(yuǎn)（4萬(wàn)km）的兩衛(wèi)星之間，必須保證信標(biāo)的發(fā)射波束能夠覆蓋接收機(jī)的接收天線，接收端能夠捕捉并跟蹤發(fā)射端的窄光束。由于姿態(tài)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)誤差、參照系計(jì)算誤差以及其它系統(tǒng)誤差的存在，在收發(fā)雙方互相對(duì)準(zhǔn)之后總有一個(gè)不確定角。為了緩解對(duì)空間瞄準(zhǔn)、捕獲和跟蹤系統(tǒng)苛刻的要求，同時(shí)加快通信鏈路建立速度，接收機(jī)的視場(chǎng)角一定要寬，為幾毫弧度，靈敏度為-110 dbW，跟蹤精度為幾十毫弧度。然而，這樣接收的背景輻射功率就會(huì)迅速上升，掩埋其中的信標(biāo)信號(hào)。解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵在于接收機(jī)中使用超窄帶寬、高透射率的光學(xué)濾波器。

系統(tǒng)完成目標(biāo)捕獲后，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行瞄準(zhǔn)和實(shí)時(shí)跟蹤。通常采用四象限紅外探測(cè)器QD或Q-APD高靈敏度位置傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，并配以相應(yīng)的電子學(xué)伺服控制系統(tǒng)。精跟蹤要求視場(chǎng)角為幾百微弧度，跟蹤靈敏度為-90 dbW，跟蹤精度為幾微弧度。太陽(yáng)光為地球表面的云層、積雪和海洋反射所產(chǎn)生的強(qiáng)烈背景輻射。對(duì)于GEO和LEO之間的通信鏈路建立，這是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)（此外還有太陽(yáng)、月亮、金星等天體的背景輻射）。

5 激光通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

5.1 激光通信技術(shù)由技術(shù)驗(yàn)證向工程應(yīng)用階段發(fā)展

激光通信技術(shù)正在由技術(shù)驗(yàn)證階段、技術(shù)定型階段向工程應(yīng)用階段方向發(fā)展。其技術(shù)發(fā)展方向如下：

l 技術(shù)驗(yàn)證階段（2012-2014）：演示驗(yàn)證星上終端技術(shù)、星地對(duì)接技術(shù)；

l 技術(shù)驗(yàn)證階段（2012-2014）：建立技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，包括：與平臺(tái)的數(shù)據(jù)交換技術(shù)；瞄準(zhǔn)、捕獲、跟蹤（Pointing，Acquiring and Tracking，PAT）技術(shù)；數(shù)據(jù)編碼技術(shù)（OOK/PPM、BPSK、DPSK）；高速光信號(hào)調(diào)制和解調(diào)技術(shù)等；新型的輕量化終端結(jié)構(gòu)技術(shù)。

l 工程應(yīng)用階段（2020-2025）：光學(xué)終端研制、光學(xué)終端飛行驗(yàn)證。

5.2 通信速率由低碼速率向高碼速率方向發(fā)展

通信速率不斷提高，從最初的2Mbps已經(jīng)發(fā)展到當(dāng)前的Gbps量級(jí)，將來(lái)的規(guī)劃已經(jīng)達(dá)到幾十Gbps量級(jí)，逐漸發(fā)揮空間激光通信的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。早期激光通信主要集中在800nm光波波段，該波段各種技術(shù)相對(duì)成熟、器件性能可靠、成本較低，但是其主要的缺點(diǎn)是在該波段上應(yīng)用的激光器及Si-APD探測(cè)器帶寬有限。因此，通信碼率較低，一般小于1Gbps。目前，采用1550nm波段進(jìn)行激光通信，可以充分利用1550nm波段激光發(fā)射、接收組件高帶寬的特點(diǎn)，并將地面光纖成熟技術(shù)直接應(yīng)用到通信上，實(shí)現(xiàn)通信碼率的提高。

5.3 激光通信與激光測(cè)距復(fù)合使用

由于激光測(cè)距與激光通信在系統(tǒng)組成、信號(hào)捕獲、處理方式等具有一定的相似性，因此，可以把它們復(fù)合到一起，實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能整體，完成測(cè)距與通信功能。2005年John J．Degnan提出SLR2000衛(wèi)星激光測(cè)距站的改造方案，將激光測(cè)距和激光通信結(jié)合起來(lái)，這是復(fù)合系統(tǒng)的最初構(gòu)想。此后，俄羅斯完成在軌通信/測(cè)距復(fù)合實(shí)驗(yàn)。2013年美國(guó)進(jìn)行的月地激光通信試驗(yàn)，就帶有測(cè)距功能。歐洲LISA(Laser InterferometerSpace Antenna)通過(guò)距離精密測(cè)量反演地球重力波場(chǎng)，相干激光外差完成超遠(yuǎn)距離下精密距離測(cè)量，同時(shí)兼具通信功能。

5.4 深空將成為激光通信應(yīng)用的重要場(chǎng)所

隨著對(duì)科學(xué)任務(wù)返回速率要求的不斷提高，自由空間光學(xué)通信對(duì)于滿足來(lái)自深空的高數(shù)據(jù)速率鏈路具有很大的潛力，未來(lái)深空領(lǐng)域?qū)⒅鸩綉?yīng)用光學(xué)通信。光學(xué)通信將能滿足未來(lái)科學(xué)儀器所需的傳輸速度。例如，火星勘測(cè)軌道器（MRO）最大傳輸速率是6Mbps（目前火星探測(cè)任務(wù)的最高傳輸速率），大約需要7.5小時(shí)清空在軌記錄器，需要1.5小時(shí)傳輸一張高分辨率照片至地球。而光學(xué)通信的傳輸速率將提升到100 Mbps，僅需26分鐘清空記錄器，傳輸同樣照片的速度僅為5分鐘。所以，對(duì)于未來(lái)深空科學(xué)任務(wù)而言，研制新型的高速傳輸終端需求迫切性不言而喻。

6 結(jié)束語(yǔ)

激光通信能夠突破射頻通信傳輸速率低的瓶頸，其通信終端具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低等特點(diǎn)，能在降低部署空間探測(cè)器成本的同時(shí)，為實(shí)時(shí)通信和3D高清視頻提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更好的傳輸質(zhì)量。此外，在未來(lái)星間、星地，以及面向深空的空間通信主干網(wǎng)中，大容量數(shù)據(jù)傳輸通道一定會(huì)是由光通信技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。