来源：新光电
作者：石鑫
随着空间通信技术的发展，大量空间探测数据与地面间的稳定快速通信变为可能，如40 G/s 的光通信已经实用化;采用铒掺杂光纤放大器( Erbium-doped Fiber Amplifier，EDFA) 等光放大技术还可实现更高传输速率；地面百兆级别通信系统已经商业化；5.65G/s的空间激光通信系统已经演示验证成功。因空间激光通信具有带宽大数据传输速率高、天线尺寸小、抗干扰保密性好等优点，许多技术强国和某些组织一直在投入大量的人力、财力、物力对其进行深入研究，比如美国、日本，尤其是欧空局（ESA）。激光通信系统具有通信速率高、传输稳定性好、抗干扰能力强、终端机体积小、质量轻和功耗小等性能与规格优势。在军事信息传输、商用保密信息传输、以及空间信息组网等领域发展前景广阔。欧美及日本等国家均投入大量人力财力进行空间激光通信研发，且已经取得了丰硕的成果，本文总结了部分具有重大意义的产品并归纳了涉及的关键技术及今后发展趋势。
空间激光通信是利用激光的短波长、高亮度以及强定向性的特点实现高速数据传输的一种方法，相比于目前广泛采用的射频通信方式具有明显的优势。美国、欧洲和日本等国均投入了大量人力、物力、财力进行研发。总的来说，它具有以下三方面的优点：
首先，空间激光通信容量巨大。载波频率范围为190～560THz，远高于微波量级，可实现海量数据实时传输，单通道就可提供高达Gbps以上的数据传输率，远大于目前微波通信百Mbps量级的数据传输率，通过波分复用技术，未来甚至有望达到100Gbps的量级。目前，星际通信中传输的大量高清图像以及视频等信息，一直受制于通信容量能力的限制。现有的SAR数据的传输速率也差强人意。而空间激光通信正好解决了这一难题，为数据存储与传输提供了有力保障。其次，空间激光通信系统体积小且质量轻。空间激光通信系统能量利用率高低，所以发射器和供电系统质量可以降低，且激光本身波长很短，发射器和接收器的口径均可以减少，因此对载荷质量与尺寸要求较高的平台优势明显。最后，该类系统保密性与抗干扰性强。因为激光束发射的定向波束发散角很小，通常为豪弧度量级，波段远离电磁波谱，其方向性和单色性都保证了它具有很强的抗干扰能力，特别适合在战场等特殊环境下使用，且同时保证数据传输通畅。
在激光光通信领域，欧洲无疑是一个长期的领跑者，在过去几十年的科研与实践中，从首次世界低轨卫星相干激光通信到大名鼎鼎的EDRS计划，它始终引领着行业的发展。ESA早在30年前实行的SILEX计划就取得了巨大的成功，以其数据中继卫星ARTEMIS为例，它的接收速率在当时就达到了50 Mbps，波长为847 nm，系统调制到 Ka 波段后将数据成功发送至位于比利时的地面站。德国研发的TerraSAR-LCTSX终端也是一个里程碑式的产品，该系统采用相干探测技术，在大气信道中体现出了良好的通信效果。德国TerraSAR-X卫星于2007年6月发射。2008年，TerraSAR-X卫星与美国NFIRE卫星在6000 km的距离下成功实现了激光数据传输，双向通信速度达到了5.6Gbit/s。
最为知名的系统要数EDRS计划。ESA 提出的EDRS计划(European Data Relay System)，旨在利用GEO卫星作为中继，在LEO卫星和地面站之间建立光学链路。该计划沿袭了德国LCT终端机的相干激光通信技术，并且在该终端通信逻辑的基础上采取了多种新措施以保证在超远距离和复杂空间环境下的通信质量。该系统的链路类型为LEO-GEO-地,可为无人机，地面站及LEO卫星提供数据中继服务。
ESA于2016年1月发射了EDRS- A卫星，五个月后，ESA发布了首张哨兵1号卫星图像，该卫星飞行速度达28000km/h，激光通信终端以600Mb/s的速率向EDRS-A卫星发送了图像。EDRS-A地球同步卫星定位在赤道9°E，通过激光及微波与LEO卫星联通。LEO卫星与EDRS-A之间激光通信速率为Ka波段1.8Gb/s，工作波长为1,064nm，作用距离为45000～75,000km，终端天线口径135mm，质量53kg，功率180W，终端机尺寸60cm×60cm×74cm。
ESA于2019年8月7日发射了EDRS-C卫星，EDRS-C卫星定位于欧洲上空东经31度地球同步轨道，是欧洲“太空数据高速公路”系统的第2颗卫星。该系统是基于激光通信技术的太空网络，由地球同步轨道卫星组成，可提供速度达1.8Gb/s的数据传输服务。
2019年2月，欧洲空客公司与日本天空完美日星公司（SKY Perfect JSAT）签订EDRS-D节点设计准备合作协议。EDRS-D是欧洲“空间数据高速公路”（Space Data Highway）系统的第三个通信节点，计划于2025年前发射并提供服务，届时将覆盖整个亚太地区。
图1 ERDS系统示意图
纵观欧洲在激光通信领域的发展史，不难看出不管是第一代终端机SILEX系统还是现在研发的EDRS系列产品，无一不引领同时期空间激光通信的发展，并从纯粹科学研究慢慢迈进商业领域，在今后的一段时间内，ESA必将继续引领发展潮流，保持领先地位。
美国从上世纪70年代开始了以NASA为主导的空间激光通信研究。其他研究机构还有美国空军研究实验室(AFRL)、麻省理工学院林肯实验室(MIT)和加州理工大学喷气动力实验室(JPL)。1994年研发的激光通信演示系统(OCD)是当时先进技术的集大成系统，终端采用了直径为10cm的光学天线，数据率可达250Mbps，通信波长为800nm。后来JPL在OCD结构的基础上进行了改进，开发出OCD的后续型号，并在2000年进行了距离45km的地面光学链路实验。
2013年10月美国开启了月球激光通信演示试验(lunar laser communications Demonstration，LLCD），该系统由1个月球激光通信星载终端(Lunar Lasercom Space Terminal，LLST)，3个月球激光通信地面通信终端(Lunar Lasercom Ground Terminal，LLGT) ，1个月球激光通信操作中心(Lunar LasercomOptical Center，LLOC) 组成，如图2所示。
图2 LLCD系统终端结构图
图3 LLCD在轨卫星示意图
在试验期间，从月球轨道到地面站的下行数据传输速率最大为622Mb/s，从地面上的上行速度最大为20Mb/s，通信距离可达近400,000km，工作波段为1,550nm，发射光功率为0.5W，光束发散角约15μrad，往返飞行时间连续测量误差小于200psec。光学天线口径，发射面为4×150mm，接受面为4×400mm。激光终端质量为30.7kg，功率90W。
为提升激光通信能力，美国开展了激光通信中继演示验证（Laser Communications Relay Demonstration, LCRD），成为了继LLCD计划后的下一个任务。
LCRD卫星包含2路激光通信系统和1个超宽带微波数传系统。地面站与卫星上的LCRD终端之间的设计通信速率达1.244Gbps，从国际空间站到卫星的上行数据速率达32Mbps。
图4 DSOC组成结构示意图
LLCD项目的成功为NASA开展深空激光通信增加了信心。2017年末，由加州理工大学喷气推进实验室主导的深空激光通信（Deep Space optical communication，DSOC）项目进入关键研发，该系统于2018-2019年完成地面测试，并计划于2023年发射，该系统是对数据传输速率、系统质量、体积与功耗及其他性能指标的一次新提升。届时，它将以至少250Mbps的速率从6.3×108km外的星体传回数据，终端机设计质量28kg，功率75W。研制中的地面光学天线口径采用了超大的12m。相比于LLCD系统，DSOC项目将是一个大的飞跃，传输距离扩大了多个数量级，地面发射功率、终端光子计数探测器阵列、波束指向精度、高效率激光发射机以及抗扰动隔离技术都进行了大幅性能提升，无疑将成为新一代深空激光通信系统的领跑者。
日本在光通信的研究起步于1985年，虽然较晚于欧洲与美国，但其发展迅速，并积极同ESA等机构开展合作，同样也取得了骄人的成绩。
ETS-VI卫星是日本星地激光通信的首次试验，该项工作于1994年与NASA合作完成，激光通信速率达1.024Mb/s。日本另外一个影响力更为深远的光通信实验是“光学轨道间通信工程试验卫星”(OICETS)系列实验。2005年OICETS卫星与ARTEMIS卫星的SILEX终端实现了上行2Mbps，下行50Mbps的数据通信速率，波段采用800nm,工作距离45,000km。
图5 ARTEMIS-OICETS通信链路图
日本在空间激光通信终端小型化领域也取得了丰硕成绩，如小型光通信终端( Small Optical TrAnsponder，SOTA)，通信距离为500-1,000km，质量仅为5.9kg。
日本数据中继卫星(JDRS)代表了最近的技术进展，它由日本宇宙航空研究开发机构（Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA）开发，采用Ka波段可达到1.8Gbps通信速率。该任务将包括GEO光学终端和LEO光学终端。后者搭载于JAXA的光学观测卫星。
图6 JDRS演示系统结构示意图
计划工作时限为10年，与此同时，该中继还将服务于其他LEO航天器通信。从LEO卫星（高度200-1,000km）通过数据中继卫星返回地面站的通信速率为1.8Gbps，波长1,540nm，其反向速率为50Mbps，波长1560nm。光学天线口径LEO为10cm，GEO为15cm。
在经过了之前的试验经验与技术积累后，日本开启的下一代空间激光通信技术研究，先进激光仪器高速通信项目( High speed Communication with Advanced Laser Instrument，HICALI)。该系统将采用波分复用(WDM)技术、可调谐激光器组件(ITLAs)和高速数字处理器件，从而实现光学地面站到卫星的通信，设计目标要达到10Gbps的通信速率，通信波长1,550nm，该终端计划于2021发射。
空间激光通信，数据传输的距离很长，且在空间传播中衰减较大，因此激光发射器的输出功率必须要要足够大。光源通常使用半导体泵浦固体激光器或半导体激光器。为了保数据传输不受干扰，需要光源连续稳定。而要保证通信质量好、就必须保证调制频率较高，发散角小。另外，为了获得高速稳定的星际传输，高功率放大器也是一种途径。目前主流的激光系统采用的是调相调制，采用BPSK和DPSK等先进技术，信噪比可明显提升。
高精度跟踪可应对小范围、高伺服带宽应用。是对跟踪残差的一种有效补救措施。点对点精确跟踪对通信质量要求极高，激光通信中的瞄准跟踪正好符合了这一要求。跟踪过程分为粗跟踪和精确跟踪，粗跟踪的带宽很小、精跟踪的带宽很大，捕获系统分辨率提升、加入电子学伺服控制系统和数字控制技术就能提高系统的鲁棒性。
收发天线是空间激光通信系统必不可少的元件。可靠且增益高的收发天线能满足双向互逆通信，其构成光学组件需满足完全隔离性。元器件是否具有高可靠性，稳定性与高性能直接决定系统的通信能力，如激光器须具备高功率、高速率、窄线宽等特点。对相干光源、CCD等器件的环境适应性也有很高要求。要能在空间粒子辐射、大温差环境下持续、稳定性的工作。
近年来，激光通信速率不断提高，目前已能实现10Gbit/s，未来有望达到100Gbit/s。目前1,550nm波段的激光通信可很好的利用该波段激光发射、接收件的高带宽优势，将成熟的光纤技术应用于空间通信，实现速率的提升。从国外终端的发展历程来看，在经历了SILEX和OICETS等第一代终端之后，各国均积极研制第二代高性能终端，许多轻量化、小型化和高码率二代终端机已经问世。终端性能由第一代的(50 Mb/s)/150kg发展到第二代的(5.6 Gb/s)/30 kg。
随着卫星向小型化不断发展，搭载于其上的通信终端必然也要随之降低自身体积质量，微型化是一个必然的发展趋势，伴随着随着微钠技术的进展，通信终端小型化也从理论慢慢走向的工程实践。各国在终端小型化方面也开展了一系列尝试：日本NICT于2018年发射了超小型激光通信终端VSOTA，并将其运行于太阳同步轨道，其质量小于1kg，功耗小于10W，欧洲也于2018年发射了OPTEL-u微型激光终端，并将其运行于LEO，其质量为8kg，功耗为45W。
人们对深空的探索一直未曾中断，正是由于激光通信能满足数据量大、速率高的传输性能好的要求，美欧等国家均以激光通信为手段对深层太空进行过研究。NASA和ESA都将深空激光通信列入规划。2020年欧洲宇航局的AIM计划将搭载OPTEL-D激光通信终端进行超远距离进行激光通信试验，2023年美国宇航局将采用深空激光通信终端DSOC从火星向地球发起激光通信。
目前的空间激光通信均采用点对点的通信方式，如果将数据中继与空间组网，激光通信将发挥不可估量的优势。目前1,550nm波段的空间激光通信系统潜力最大。该波长可采用波分复用及EDFA技术，便于构建全光网络。用多个不同轨道的卫星，地面站和近地飞行器组件空间光通信网络，可显著提高激光通信的覆盖范围。美国的转型卫星通信计划(TSAT)就是一个空间组网激光通信的探索，其目的就是要实现空间激光组网，从微波通信转型至激光通信。
在空间光通信领域，欧洲、日本和美国经过几十年的发展，已经完成了两代激光通信终端机的研发，并仍在进行多种在轨光通信实验，以期待向下一代终端进展。空间激光通信技术将以其独具的高通信速率、强抗干扰能力、高跟踪精度与稳定性引导一场新的通信革命。今后空间光通信会朝着高通信速率、终端小型与轻量化、深空通信与通信网络化的方向发展。
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