發展空間激光通信，提高對地觀測效能

李英超，胡源，趙義武，丁瑩，姜會林

（1.長春理工大學 空地激光通信技術國防重點學科實驗室，長春 130022；2.吉林東光集團有限公司，長春 130012）

1 對地觀測的意義、趨勢及面臨問題

1.1 對地觀測的意義

對地觀測技術與系統用于全球實時探測，在獲得地球表面及深部的時空信息中發揮了越來越重要的作用。其主要意義可以概述為以下12個方面。（1）監測災害，減少損失；（2）監測環境，保護人類；（3）監測能源，造福社會；（4）監測氣候，發現異常；（5）監測水源，跟蹤循環；（6）監測天氣，及時預報；（7）監測生態，促進平衡；（8）監測農業，支持發展；（9）監測生物，保護物種；（10）監測地理，挖掘資源；（11）監測城市，改善管理；（12）監測軍事，保證安全。

1.2 對地觀測的發展趨勢

1.2.1 向高分辨率方向發展

對地觀測的空間分辨率由最初的幾米（地面分辨率），發展到現在的0.5m（美國的高級 KH-12軍用衛星達到0.1m），下一代目標是0.06m左右。光譜分辨率由最初的36個波段，發展到現在的256個波段，下一代目標是400個波段左右。時間分辨率也在不斷的提高。

圖1 美國“地球之眼－1”商用衛星（分辨率0.41m）拍攝的圖片Fig.1 The photo of American commercial satellite(the resolution is 0.41m)

圖2 汶川地震中無人機及意大利COSMOS衛星（分辨率0.5m）拍攝的北川縣城遙感監測圖片Fig.2 The remote sensing image of the BeiChuan by the unmanned vehicle and the COSMOS satellite(the resolution is 0.5m)

1.2.2 向網絡化方向發展

對地觀測將組建多層次、立體化、多角度、全方位和全天候的天空地一體化網絡系統。由多種軌道上不同衛星相結合，再由衛星、飛機及多種浮空器相結合組成觀測平臺網；由地球觀測遙感器、數據處理器和高速率通信系統組成動態的綜合的對地觀測體系，為多種用戶提供實時的全球對地觀測數據服務。

1.2.3 向國際大協作方向發展

目前，全球有數以千計的科技裝置用于對地觀測，海洋上有幾千個數據浮標，陸地上有幾千個觀測臺站，還有大量的衛星等飛行器參與對地觀測。盡管各國對地觀測的實用性和統一性有了很大進展，但各種對地觀測資料的收集、整合、存儲、分析與共享還不完備，其中大部分數據是分散的，缺乏快速的互傳與統一的接口。所以，國際上有71個國家參加，于2005年組成了政府間對地觀測協調組織，中國氣象局局長被選為聯合主席之一，目的是形成全面的、共享的和可持續的全球綜合對地觀測系統。

1.3 我國面臨的主要問題

我國的對地遙感觀測技術經過30多年的發展，特別是近15年的努力和國家的大力支持，其信息獲取能力已經有了明顯的提高，形成了譜段較全、學科和技術門類較完整的衛星和機載觀測系統，在一些應用領域顯現出不可替代的作用。但和國際相比還有一定的差距，我國對地觀測事業任重而道遠，所面臨的主要問題有：

（1）從總體上看，我國目前處于以觀測和監測為主的階段，尚未形成全天候、全天時和全球視野的遙感觀測與偵察能力；快速反應能力較差，預測與預警能力薄弱；在數據共享、服務規范等方面也都存在較大差距。

（2）從技術上看，一是缺乏高分辨率的、即時的和準確的遙感數據，二是對地觀測數據的通信能力較弱，帶寬有限，影響了信息的快速傳遞與應用，同時迫使數據壓縮傳輸，降低了分辨率。正如《國家中長期科學與技術發展規劃綱要》指出的：“高分辨數據主要依靠國外，未形成完整的對地觀測體系”。

專業教育干預促進了社區藥師的道德推理能力的發展；評估加利福尼亞州藥學和醫學生的飲食和生活習慣；藥學生領導行為激勵因素的定性研究；提高藥學生健康素養和自信心的互動式多元化途徑；學生焦慮程度與考試合格率負相關；藥學前工作經驗對學生藥師職業認同的影響；學術道德，對于藥學生的誠信教育；改善藥學生的睡眠質量；職業機密性要求；健康知識與學習成績的關系；學生對溝通技巧的自我評估與教師對他們溝通技巧評估結果的比較。主要關注的是藥學生的身體和心理健康、學術道德、同情心、領導力的發展以及職業認同感。

（3）從解決途徑上看，一是在信息獲取方面，要努力提高分辨率和測量精度；二是在信息傳輸方面，既要解決海量數據的大容量實時傳輸，又要解決信息傳輸的保密、抗干擾等問題。

2 空間激光通信技術在對地觀測中的應用前景

空間激光通信是人們經過多年探索并于近幾年取得突破性進展的新技術。由于空間激光通信的一系列優點，它已成為解決微波通信瓶頸，構建天基寬帶網，實現對地觀測海量數據實時傳輸的有效手段，具有很大的民用和軍事應用潛力。

（1）衛星(包括各種航天器)之間、衛星與地面站之間的通信目前主要采用微波手段，而光波比微波頻率高3－4個數量級，作為通信的載波有更大的利用頻帶。目前，對地觀測的空間分辨率正在以每10年一個數量級的速度提高，空間激光通信的技術優勢可實現高分辨率和多手段組合的海量數據實時傳輸，對于地球科學研究、環境災害監測、軍事信息獲取等應用意義重大。

（2）光波波長短，與微波相比其發射天線口徑成倍減小，同時激光發散角小、能量高度集中，功率相對較低，使得通信終端在體積、重量和功耗方面都具有明顯優勢。該特點使得光通信終端易于搭載各種平臺，實用化程度高。對于構建地觀測天基信息網將起到推動作用。

（3）激光通信的高指向性使它的發射光束極窄，方向性好。通常激光光束的發散角都在毫弧度量級，甚至微弧度量級，因此接收區域很小，能夠有效地提高防竊聽的能力，使得對地觀測數據傳輸具有極高的保密性。

（4）光波波段遠離電磁波譜，采用空間激光通信不會像電信號那樣受到電磁信號干擾，其抗干擾能力遠遠強于比微波通信。在機場、戰區等特殊環境下，仍能夠保證對地觀測數據的順暢傳輸。

（5）空間激光通信，其經過大氣信道鏈路受氣候及天氣的影響較大，但是通過選擇適宜的波長、采用多點布站、與其他傳輸手段的優勢互補等措施可以有效減少這些影響。

表1 典型空間激光通信試驗列表Tab.1 Tab of the classical space laser communication

因此，先進的空間激光通信將為對地觀測技術的發展起到極大的促進和支撐作用，并使對地觀測的效能進一步提升。

3 空間激光通信的發展態勢

近幾年來，美國、歐空局各成員國、日本等國極其重視空間激光通信技術發展，對各項關鍵技術展開了全面深入研究，并已取得突破性進展，成功地實現了多條鏈路之間的光通信試驗，為對地觀測技術與高速率激光通信技術的結合奠定了技術基礎。

我國空間激光通信研究與歐、美、日相比起步較晚，已進行了關鍵技術、原理樣機和野外試驗等研究，并開始部分工程化研究。開展空間光通信研究的單位主要有哈爾濱工業大學、北京大學、電子科技大學、上海光機所、航天504所、長春理工大學等。

4 對地觀測用空間激光通信的發展目標及關鍵技術

4.1 發展目標

對地觀測用激光通信技術，未來的主要發展目標是：（1）通信平臺—衛星（GEO、LEO等），臨近空間平臺（高空飛艇、高空無人機等），飛機（專用飛機、預警機等）。（2）通信速率—1.5～40Gbps（根據使用要求不同）。（3）通信距離—20～45000km（根據使用要求不同）。（4）通信波長m等。（5）誤碼率—106～109（根據使用條件不同）。（6）光端機重量—約20～100kg（根據使用要求不同）。

4.2 主要關鍵技術

4.2.1 高功率、高調制速率的激光發射技術

隨著通信距離的增加以及傳輸信息容量的提高，高功率、高速率的激光發射技術是空間激光通信發展的需求。高功率、高傳輸碼率調制和解調技術需要研制高效、低耗、穩定、長壽命的激光光源。目前采用的激光光源多數為半導體激光器，也有部分系統使用固體激光光源，光纖激光光源的空間適應性正在研究中。此外，在空間環境中，激光器的溫控也是保證其性能參數的重要環節。

4.2.2 高靈敏度、抗干擾的光信號接收技術

在空間信道環境下，由于通信距離遠、空間損耗大，接收到的光信號往往十分微弱，特別是在大氣信道環境下，還伴隨著大氣湍流和背景光的干擾。這就要求激光通信接收機具有高的探測靈敏度，有抗背景噪聲干擾的能力。其探測靈敏度最高達到nW-pW量級;在后續電信道上則采用微弱信號檢測和處理技術。

4.2.3 高精度的捕獲、瞄準和跟蹤(APT)技術

為了減小發射功率，遠距離激光發射通常采用的是微弧度量級的窄光束，因此，在兩個相對運動，且存在平臺擾動的終端之間快速、高概率的成功建立起通信鏈路，高精度地捕獲、瞄準、跟蹤(APT)是實現的前提。通常由粗、精跟蹤兩個環節構成，根據不同的任務采用機械轉臺、光學擺鏡、振鏡等不同的伺服機構。

4.2.4 發射接收光學天線設計技術

作為整個空間激光通信功能的載體，光端機發射接收光學天線的成功研制是實現通信的前提。對于孔徑較大的天線，可采用反射式，有助于降低制造難度，提高其可靠性、減輕重量;而當天線孔徑較小時，則選用透射式。

4.2.5 大氣信道的抗干擾技術

大氣對激光通信的干擾是制約高速率通信鏈路實現的重要因素。研究大氣影響鏈路性能的解決方案，對實現空地激光通信鏈路具有非常重要的意義。目前主要采用增加天線口徑、多孔徑發射、地面站選址、自適應光學等方法。

5 展望

5.1 進一步拓寬遙感波段，實現全波段觀測與信息傳輸

對目前常用的可見光、紅外光、微波等遙感波段進行拓展，引入太赫茲等波段，是實現全波段對地觀測與信息傳輸的重要手段（如圖3所示）。

圖3 波段分布圖Fig.3 Diagram of wavelength distribute

其中，太赫茲波段介于微波與遠紅外光之間，具有比微波更好的方向性和更大的信息傳輸容量、比紅外光更強的大氣透過能力，可實現全天候通信。因此，太赫茲波在對地觀測和信息傳輸方面具有廣闊的應用前景。

5.2 進一步提高傳輸速率，實現觀測信息傳輸實時化

目前遙感終端獲取信息的能力高于數據傳輸系統的傳輸能力，而且，遙感信息與傳輸能力之間的矛盾越來越嚴重，如高分辨率遙感衛星，要求傳輸速率達到幾十Gbps，甚至更高，空間激光通信技術在進一步提高傳輸速率上將會有更大作為。

5.3 組建信息傳輸網絡，實現天空地觀測一體化

未來15年，人類將進入網絡化對地觀測的新時代。這樣的天空地一體化全球對地觀測網絡，能夠準確有效、快速及時地提供多種空間分辨率、時間分辨率和光譜分辨率的對地觀測數據；縮短重放周期，提高觀測頻度，實現高時效性；降低對地觀測系統對大型、昂貴的衛星平臺和眾多傳感器的依賴程度，節約資源；解決應急空間中突發事件數據的及時傳輸。隨著空間激光通信技術與日趨完善，利用激光通信組建空間信息傳輸網絡已成為大勢所趨。

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