空間激光通信技術研究綜述

李 靜 趙樹波

（1.中北大學信息與通信工程學院，山西 太原 030051；2.重慶建設工業（集團）有限責任公司，重慶 400054）

0 引言

人類通信的歷史源遠流長，從古代的狼煙通信、驛站通信，到現代的電報電話通信、無線電通信、光纖通信等，不僅僅是通信手段發生了巨變，而且也空前地改變了人類的生活方式。今天，科技發展日新月異，空中、地面、水下都已經被開辟為廣闊的通信空間，采用高頻激光進行空間衛星通信已成為現代通信技術發展的新焦點。有專家測算，在理想的情況下，用激光作載體進行空間衛星通信，若話路帶寬為4千赫，則可容納100億條話路；若彩色電視帶寬為10千赫，則可同時傳送100萬套節目而互不干擾，屆時，人們的生活將更加豐富多彩。與此同時，航天、航空、航海等都對空間激光通信技術提出了迫切需求。

1 空間激光通信技術系統組成、關鍵技術及原理

空間激光通信也稱為無線光通信，它是指利用激光束作為載波在空間直接進行語音、數據、圖像等信息傳輸的一種技術。空間激光通信系統所涵蓋的平臺有深空探測器、GEO衛星、LEO衛星空間站、臨近空間平臺、航空平臺、地面平臺、水面平臺等，不同平臺間可構成不同的空間激光通信鏈路。其突出特點是是搭載在運動平臺上，以激光器作為光源，并以小束散角發射，實現高速率、遠距離信息傳輸。例如，星際激光通信系統、星地激光通信系統、空空激光通信系統等。

空間通信技術的基本原理實質上就是，信息電信號通過調制加載在激光上，通信的兩端通過初定位和調整，再經過光束的捕獲、瞄準、跟蹤建立起光通信鏈路，然后再通過光在真空或大氣信道中傳輸信息。空間激光通信系統按照功能主要分為以下幾個部分：光源系統、發射和接收系統、信標系統、捕獲、瞄準和跟蹤系統四大塊。下面將分別對其進行討論。

（1）光源系統

在衛星激光通信中，通信光源具有十分重要的作用，他直接影響天線的增益、探測器件的選擇、天線直徑等參量。常用激光器為波長在800～850 nm 范圍的AlGaAs激光器，該波長范圍內的APD探測器件工作在峰值，量子效率高、增益高。采用倍頻Nd：YAG激光器或氬離子激光器得到的波長在514～532nm的激光器是星上激光光源的良好選擇。

（2）發射和接收系統

這是空間激光通信的關鍵系統之一，激光發射機實質上就是光源、調制器和光學天線的級聯，而接收機則可看成是接收天線和探測器、解調器的級聯。調制的作用是將需要發射的信號 調制到光載波上；探測、解調是通過光電轉換器件將光信號轉換為電信號。探測部分還包括濾波、放大部分，該部分也是衛星光通信系統中必不可少的。

（3）信標系統

在空間激光通信系統中，通信信號光束發散角非常小，因此如果利用信號光束進行捕獲、瞄準將會是非常困難的過程。所以在其中要單獨設立一個激光信標系統。信標光束主要是給瞄準、捕獲過程提供一個較寬的光束，以便在掃描過程中易于探測到信標光束，然后進行后面的調整過程。

（4）捕獲、瞄準和跟蹤系統

捕獲、瞄準和跟蹤系統幾乎可以說是整個空間激光通信系統的心臟，也是空間激光通信技術的難點、重點。各個國家在對空間激光通信系統的研究中，都提出了一些捕獲、瞄準、跟蹤方案，并對相當一部分方案進行了實驗室模擬。這些方案在探測時的掃描方式以及探測、跟蹤傳感器的選擇等方面都有所不同，但實際采用的捕獲、瞄準、跟蹤方案是基本一致的。

2 空間激光通信的優勢

空間激光通信是在外層空間進行的通信，由于具有損耗小、成本低、容量大、光定向性好等優點，在超大容量長距離數字通信系統中，尤其適用于星際鏈路間長距離、干線通信。它比地面光纜擁有更高寬帶的數據、視頻和語音轉播等多項通信能力。因此，現代衛星通信的重要方向就是自由空間中衛星激光通信。

自由空間激光通信是利用激光作為載體，在自由空間中進行信息和數據的傳輸。激光的頻率單純，能量高度集中，波束非常細密，波長介于微波與紅外線之間，因此，利用激光所特有的高強度、高單色性、高相干性和高方向性等諸多特性，進行星際間鏈路通信，就可具備容量更大、增益更高、速度更快、抗干擾性更強和保密性更好的一系列優點，從而使激光成為發展空間衛星通信的最理想載體。

3 國內外空間激光通信歷史及現狀

美國是世界上開展空間激光通信研究最早的國家，于20世紀60年代中期就開始實施空間激光通信方面的研究計劃，歐洲和日本也先后于70年代末和80年代中期開始研究，到20世紀80年代末90年代初，日本、美國、歐洲空間總署先后制定了發展衛星間激光通信的研究計劃，對衛星與地面之間、地球軌道同步衛星與近地軌道衛星之間、地球軌道同步衛星之間的激光通信技術都進行了深入研究，初步的設計方案及模擬演示系統也達到了理想的效果。當時美國率先進行的海島與海島之間的激光通信，作用距離可達到240公里；在飛機與地面站的激光通信試驗中，當飛機位于1100米高度時，作用距離達到了20～30公里。1995年，美國與日本兩顆相距3.9萬公里的衛星實現了互聯，并完成了8分鐘的激光通信。到現在歐美日在空間激光通信技術領域已經取得了相當矚目的成績。

1985年，歐洲空間局研制了SILEX系統，在試驗的基礎驗證衛星間激光通信的所有技術。系統從SPOT-4上的低軌道終端向ARTEMIS上的同步軌道終端傳輸50Mb/s的數據。同時在ARTEMIS上還裝備有一個定位裝置，可使其系統上的望遠鏡（亦即光學天線）對準SPOT_4后其他任何低軌道高度大于1000km的LEO空間飛行器，并向GEO終端傳送2Mb/s的數據。

1989年，在德國政府支持下，空間固體激光通信 試 驗（Solid State Laser Communications in Space，SOLACOS）開始實施，它是一個高碼率衛星間激光通信計劃。該項目建立了完整的計算機仿真系統，同時制造了一套用于測試的試驗模擬系統，其試驗模型于1997年完成。該終端采用固體激光器和相干接收，波長1064nm、發射功率1W的Nd：YAG激光器，通信速率可達650Mb/s。SOLACOS終端發射孔徑150ram，質量70kg。可以用來進行星問激光通信和星地激光通信。

1994年，美國JPL實驗室研制成功OCD通信端機演示系統，數據率可達250Mb/s，通信波長采用800nm波段，用OOK調制方式。它具有結構簡單、質量輕（15kg）、體積小、功耗低等特點。

1995年，在NASA的資助下，美國Ball公司完成了LCDS系統（Laser Communication Demonstration System）。該系統具備 1Gb/s的 LED—GEO、距離為40000km的GEO-LEO星際通信和GEO-航空平臺激光通信能力，系統重量84磅（約37.8kg），功耗96W。

1996年，美國TT公司首次成功地進行了飛機對地面站間的激光通信試驗，飛機的飛行高度11km，飛機距地面站距離20km～30km，傳輸速率1Gb/s。

1998年，ESA成功研制了光學演示終端SROIL（Short Range Optical Intersatellite Link）。該終端的發射機以半導體激光器泵浦的1064nm波長Nd：YAG激光器作為光源，相干體制的接收機采用二進制相移鍵控調制方式和零差探測，通信系統的發射天線孔徑為350nm，通信碼率1.5Gb/s，誤碼率低于10-6，總質量為 15kg，功率為 40w。

1999年，TT公司還使用T39A飛機為搭載平臺進行了飛機一飛機間激光鏈路通信試驗，飛行高度約為40000英尺（約12192km），通信距離50km～500km，速率 1Gb/s，誤碼率10-6。

2000年，日本研制了用于國際空間站（ISS）對地的雙向超高速光通信端機LCDE（Laser Communication Demonstration Equipment），其上行碼率為1.2Gb/s，下行碼率為2.5Gb/s，使用1550nm波段作為通信光，功耗小于115W，質量小于90kg。

同年，JPL成功建立了一套高魯棒APT子系統，該子系統在OCD基礎上進行改進，通信速率2.5Gb/s，通信波長1550nm，發射功率200mW。

也是在這一年，在BMDO資助下，TT公司研制STVR-2衛星通信LCT光端機和地面光端機。將LCT作為TSX-5衛星有效載荷之一，2001年開展星地激光通信演示驗證。

2005年，日本的 OICETS（LEO）與 ESA的 ARTEMIS衛星（GEO）成功實現數據傳輸。

2006年12月，法國國防部采辦局（DGA）與歐洲航空防務與空間公司（EADS）進行了機載激光鏈路技術演示器（LOLA）的演示試驗，第一次實現了地球同步衛星和飛機之間激光通信。先后開展了近50余次的空一星激光通信試驗。通信距離40000km、通信速率50Mb/s、飛機海拔高度9km。

2008年3月，德國Terra SAR-X衛星與美國NFIRE衛星問實現距離為5000km的星際相干激光通信，通信速率5.65Gb/s，通信波長為1064nm。使用口徑為125mm的望遠鏡，終端質量小于30kg，功耗低于130W。該終端采用二進制相移鍵控調制，檢測方式是零差相干檢測。

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。目前已取得一定成果。

2010年8月研制出7.5G速率空間激光通信系統，并在在青海省青海湖成功進行了7.5G速率40km距離的自由空間激光通信試驗。

在國內，目前空間光通信技術的發展才處于初級階段，及時了解空間光通信的最新動向，以及領航者的研究布局，對我們發展空間光通信具有很強的借鑒和指導意義。

4 空間激光通信的應用前景及發展趨勢

空間激光通信技術作為一種很優越的通信手段，應用前景十分廣闊。

首先它既可以作為實現全球個人通信的重要技術選擇，又可以解決寬帶網絡“最后一公里”的瓶頸。具有十分廣闊的市場和美好的應用前景。星間激光通信將成為建立全天候綜合信息網和區域天基綜合信息主干線的必要通信手段，也必將成為未來移動通信和全球多媒體通信的一個必不可少的環節。

近地面的FSO可以解決通信寬帶網絡的最后一公里的接入問題，從而實現光纖到桌面，完成語音、數據、圖像的高速傳輸，拉動聲訊服務業和互動影視傳播，實現“三網融合”，有利于電子政務、電子商務和遠程教育及遠程醫療的發展，并將產生巨大的經濟和社會效益。在一下幾個方面也將得到廣泛的應用：光纖通信網的完善和延伸，有效提高光通信網的覆蓋面；重要光纖通信鏈路的備份，多根不同路徑的光纖備份方式通常不可實現且耗資巨大，利用近地的空間激光通信（FSO）作為光纖備份既經濟又方便；不便鋪設光纖場合的寬帶通信，如大城市繁華地帶的公司內部的兩幢大樓之間，地形險惡的兩通信樞紐站之間的寬帶通信；保密通信，如銀行、工商及公司內部涉密信息的寬帶傳輸等；快速部署機動通信，如因戰爭或水災、山體滑坡等導致的兩個光纖節點之間的通信恢復；空間立體網絡組建；光纖、微波、FSO混合網絡的組建等。

軍事上，空間激光通信可廣泛應用于軍事野戰通信網、空間機群指揮、海上艦艇編隊間無線電靜默期間通信、戰時應急通信。具體地，可架在高山之間完成邊防哨所和森林觀察的通信；可以臨時架設解決必要的戰時指揮所之間的保密通信問題；可以實現與計算機的聯網或作為移動通信的轉接站；可架設在海岸、島嶼或艦船上實現短距離的移動大氣激光通信。

有著如此光明的前景，空間激光通信技術空間激光通信的發展趨勢將向網絡化、小型化、智能化方向發展，具體來說主要包括以下幾方面的轉變，由強度調制/直接探測向零差相干體制發展，由傳統光通信向空間量子通信變革，星載設備朝光子集成化升級，天基網絡一體化演變，開拓深空光通信等[6]。

未來衛星激光通信的應用范圍將進一步擴大，將建立GEO - GEO、GEO - LEO、LEO - LEO、LEO -地面等多種形式的激光通信鏈路，建立全球商用衛星激光通信網。小衛星星座的迅猛發展，使得人們對小衛星星座的星間光通信更加重視。利用小衛星間激光通信實現全球個人移動通信將是未來全球個人通信的發展趨勢。地面FSO 系統將進一步提高全天候工作的能力和自動跟蹤精度。技術研究方面，有效的信道補償算法、快速精確的ATP 技術、自適應變焦的光學天線技術、新的調制和編碼技術須取得進一步的突破。空間光通信聯網技術、空間光波分復用技術也將成為今后空間光通信研究的重要課題。

5 結論

空間激光通信技術作為一項很有發展前景的通信技術正受到越來越多重視，經過30 多年的發展，歐洲已經能夠實現高速（5.625Gb/s）、低誤碼率的空間相干光星間通信鏈路。種種跡象都表明，空間激光通信技術將導致一場新的通信革命，要想在未來的全球軍事和商業通信中占得先機，就必須大力發展該技術。雖然我國在這方面起步比較晚，但由于各元器件和技術已趨于成熟，加之我們也有一定的基礎，借鑒外國經驗，取得跨越式發展也指日可待。這就需要我們及時把握國際上空間光通信的最新動向，認真研究各種新技術以求為我所用。

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