激光通信測距技術發展現狀及趨勢研究

李 瑋

(中國電子科技集團公司第二十七研究所，河南鄭州450046)

1 引言

20世紀70年代起，美國開始進行激光通信系統的研究，在70年代末設計出世界上第一個激光通信實驗終端。此后，日本、歐洲等各國紛紛開展了這方面的研究，激光通信技術和激光測距技術迅速發展。但由于空間條件的限制，需要使設備具有多任務工作的可能，從而降低對體積、功耗的要求，并提高系統的性價比。可以預測，隨著激光通信和測距等復合需求的不斷提高，激光通信測距一體化技術研究將成為未來的一種發展趨勢。

2 國外激光通信技術發展現狀［1－3］

美國是世界上開展空間光通信研究最早的國家，自20世紀70年代開始，美國就在衛星光通信和深空光通信領域開展了大量的工作，在衛星光通信的各個領域都開展了研究，為衛星激光通信的發展奠定了雄厚的基礎。最主要研究機構有美國宇航局(NASA)和美國空軍。自80年代起，已經實施了多個有關衛星激光通信研究計劃。2002年GEO LITE星地激光通信試驗取得巨大成功以后，美國基本上解決了過去所有限制衛星激光通信發展的技術難題，由演示驗證階段進入到工程應用研究階段。目前正在積極推進TSAT轉型衛星通信系統中的高速激光通信終端研究工作，該項目計劃在衛星星座間采用全激光鏈路，通信能力為10～40 Gbps。

歐洲空間光通信技術主要集中在衛星光通信方面。其主要研究機構是歐空局(ESA)，已經實施了多個有關衛星激光通信研究計劃。通過SILEX計劃的實施獲得巨大成功，使得星間和星地激光通信中所有的單元技術和系統技術得到了驗證，實現了中等速率(50 Mbps)的激光通信。2008年3月，通過德國LCTSX項目的成功實施，使得高速(1 Gbps以上)衛星相干光通信技術得到了全面驗證，標志著工程演示驗證階段結束，歐洲衛星光通信技術進入到應用研究階段。目前ESA正在積極推動 Alphasat衛星寬帶數據中繼計劃，在Alphasat衛星上搭載相干激光通信終端，實現Alphasat衛星與低軌衛星之間1 Gbps以上的在軌激光通信。

日本于20世紀80年代中期開始空間光通信的研究工作，主要研究單位有日本國家信息通信技術研究所(NICT)、日本空間探測局(JAXA)等，在空間激光通信領域開展了大量的研究工作。通過ETSVI計劃和OICETS計劃的成功實施，驗證了星地以及星間激光通信中關鍵技術，目前正在進行第二代衛星激光通信系統研制，該項目的主要特點是使用1550 nm波長作為通信波段，實現1 Gbps以上高速通信，演示并驗證高速星間激光通信技術。

在深空光通信方面主要的研究工作是美國開展的，未來還將繼續進行關鍵技術研究，隨著技術成熟度的不斷提高，積極爭取搭載深空飛行器，進行工程演示驗證，目標是在0.1～40 AU通信距離范圍內，實現數據速率在1～1000 Mbps之間深空通信。

3 國外激光測距技術發展現狀［4］

傳統的衛星激光測距(SLR)均采用反射式測距體制。經過幾十年的發展，衛星激光測距目前已建立了由50多臺設備組成的龐大的全球激光測距網絡，以實現對60多顆帶有合作目標的各種地球軌道衛星的測距。測距精度從最初的米級提高到分米級、厘米級，現在正向毫米級發展。測距重復頻率由低重頻(5～20 Hz)向高重頻(1～10 kHz)發展。為了進一步提高激光測距的作用距離，近年來又提出新的測距體制，并開始了演示驗證。2005年5月27～31日，美國NASA的哥達德飛行中心(GSFC)與水星飛行器Messenger成功進行了激光應答測距試驗。當時Messenger與GSFC的距離約為2400萬公里，距離測量精度約為20cm。2005年9月，美國的火星探測器上的火星軌道激光測高儀(MOLA)記錄到從NASA/GFSC發射的約500個激光脈沖，當時的距離是8000萬公里。2007年美國利用GSFC站1.2 m望遠鏡和NASA的SLR2000系統40 cm望遠鏡通過對帶有激光反射器的地球人造衛星LAGEOS同時進行測距試驗，模擬激光異步應答測距，以進一步研究其工作原理。

4 國內激光通信測距技術發展現狀

我國激光通信、激光測距技術研究與美、歐、日相比起步較晚。國內開展激光通信、激光測距技術研究的單位主要有哈爾濱工業大學、清華大學、北京大學、電子科技大學、武漢大學、中國電子科技集團、中國航天科技集團、上海光機所、成都光電所等單位。目前已完成了星間光通信系統的模擬分析及模擬實驗研究，大量的關鍵技術研究正在進行，與國外相比雖有一定的差距，但近些年來在激光通信和激光測距領域也取得了一些顯著的成就。如:哈工大研制的綜合功能完善的激光星間鏈路模擬實驗系統、上海光機所研制的點對點155 M大氣激光通信機樣機、武漢大學完成了42 M多業務大氣激光通信實驗、全空域FSO自動跟蹤伺服系統實驗，為開發機載、星載激光通信FSO系統創造了條件等。

5 激光通信測距技術未來發展趨勢［5－6］

隨著近幾年國外在衛星星間和星地激光通信方面的快速進展，已在相距5000 km的衛星之間實現了5.5 Gbps以上的高速星間激光通信。在衛星測距技術領域，采用高重頻微脈沖測距技術對衛星的測距精度達到亞厘米量級，在測距體制上也取得了突破，采用異步應答測距體制實現了到水星飛行器的行星際雙向距離測量，精度高達20 cm。在一些衛星激光通信系統、衛星激光測距系統以及光學地面站的設計中已經出現了通信測距一體化跡象。所有這些已取得的進展和發展跡象表明，國外激光通信測距一體化集成系統研究已經開始啟動。主要體現在兩個方面:一是在飛行器終端的設計方面;二是在地面站的設計方面。

在飛行器終端設計方面體現出激光通信測距一體化思想的典型例子是美國的X2000項目。

X2000飛行終端是一個多功能儀器，不僅能完成與遠至木衛二(衛星)距離范圍內的雙向通信，還具有雙向激光測距、科學成像和激光高度計等功能。在飛行終端結構設計中，測距和通信共用信號光，采用應答測距體制急性激光測距，實現激光通信和激光測距復用的目的。X2000的飛行終端結構設計圖如圖1所示。

圖1 X2000飛行終端結構設計圖

在地面站的設計方面，歐洲的OGS光學地面站和日本NICT光學地面站除了可以作為星地激光通信終端使用外，還具有多種功能，可用于激光測距、對衛星定位等。此外，2005年，John J.Degnan提出了一個SLR2000衛星激光測距站的改造方案(如圖2所示)，就是將激光測距和激光通信結合起來。SLR2000C的主要改造思路是利用SLR2000激光測距機的測距激光作為激光通信的信標光用于跟蹤瞄準，在SLR2000衛星激光測距機上加裝波長1550 nm附近激光器用于和衛星建立雙向通信，充分體現了激光測量通信一體化思想。

圖2 SLR2000C衛星激光測距通信集成方案框圖

6 結論

目前，國際上已經完成了衛星光通信的基本概念和主要關鍵技術的研究，并在此基礎上進行了衛星間、衛星與地面之間的光通信，驗證了衛星激光通信的可行性。而國內的光通信還需進一步的研究，實際的星地激光通信只是進行了原理性試驗，離實際的試驗還有一定的距離。

隨著激光通信和測距復合需求的增加，以及激光通信測距一體化技術在航天測控方面凸顯的優勢越來越多，可以預見在不久的未來，激光通信測距一體化技術將獲得較快的發展，成為航天測控領域內又一新型測控技術。

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