國外星地激光通信試驗及其鏈路分析

賈旭 李少輝

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

1 引言

星地激光通信技術是未來衛星通信技術的一個重要發展方向，與微波通信相比，具有通信容量大、終端體積小和保密性好等優點。現代衛星對地高速數據傳輸的需求越來越迫切，目前利用新的調制體制和天線極化復用技術，微波星地數據傳輸速率可達900 Mbit／s，如此高的傳輸數據速率依然滿足不了用戶大數據量的下傳需求。在衛星體積、重量和輸出功率相當的條件下，激光通信技術可以實現幾吉比特到幾十吉比特每秒的數據傳輸能力，因此，對于星地激光通信的需求越來越迫切。

典型的星地激光通信鏈路一般包括光學跟瞄子系統、通信子系統和傳輸信道（含大氣信道）3部分。光學跟瞄子系統主要進行瞄準、捕獲和跟蹤（PAT），是星地激光通信鏈路建立與保持的基礎，該系統主要考慮的是捕獲跟蹤策略和對衛星平臺的擾動具有補償能力，一般包括粗瞄準系統和精瞄準系統。通信子系統包括發射部分和接收部分，與鏈路余量設計相關的因素主要包括：①發送和接收部分：主要有望遠鏡收發形式、望遠鏡倍數、發射功率和接收靈敏度等指標。在工程系統設計時，各個指標都是相互制約的，比如，望遠鏡口徑增大必然導致激光通信終端設備體積和重量的增加，可能導致終端不滿足衛星的約束條件，通過鏈路余量設計，可以很好地在各個相關項目權衡，得到最優化方案。②傳輸信道部分：須要考慮星地激光通信的距離和大氣對激光通信質量的影響。星地激光通信須要考慮大氣層對激光傳輸的影響，大氣對激光具有吸收與散射作用，同時由于大氣始終處于運動狀態，還必須考慮大氣湍流效應。大氣湍流效應對激光傳輸的影響主要包括：光束漂移起伏、光束到達角起伏、光束擴展與分裂，以及光強閃爍。這些湍流效應的共同作用將影響到整個通信系統的性能。所以，星地激光通信鏈路設計時，對大氣的影響要足夠重視。而針對大氣各種效應，各個終端一般采用多孔徑發射技術實現多激光束傳輸。針對鏈路余量設計，可以把大氣的影響歸結為傳輸路徑上能量的損失。

本文結合國外星地激光通信發展歷程，介紹了國外具有代表性的3個激光通信終端的設計指標和試驗情況，并列表進行了對比；通過建立激光鏈路余量計算公式，對國外的典型激光通信試驗的鏈路設計數值進行了復核與比較；提出了鏈路設計重點和優化建議。

2 星地激光通信發展歷程

世界上首次成功進行衛星光通信試驗的是日本工程試驗衛星-6（ETS-VI），該試驗被命名為“星地激光通信演示驗證計劃”（GOLD）。該衛星于1994年8月發射，由于助推火箭出現了故障，無法到達預定的地球同步軌道，只好在大橢圓軌道上運行，雖然原定的試驗計劃無法進行，但日本和美國合作對地面系統進行了改造，制定了新的試驗計劃，利用美國噴氣推進實驗室（JPL）的光學地面站成功進行了星地激光通信試驗。從1994年12月起，上行和下行激光發射試驗開始進行。由于要克服大氣湍流和各種閃爍引起的上行激光光束嚴重衰減，經過長時間的努力，ETS-VI與地面站的光通信試驗終于在1995年7月成功完成，試驗結果證明了星地鏈路的可行性［1］。

從1995年起，美國的彈道導彈防御組織（BMDO）實施了第二代空間技術研究飛行器（STRV-2）試驗計劃。該項計劃的主要目的是低軌三軍服務試驗衛星-5（TSX-5）的激光通信終端（LCT）與地面站間的上行和下行激光鏈路試驗，驗證衛星光通信技術。TSX-5衛星于2000年6月7日發射，近地點高度403km，遠地點高度1686km，軌道傾角69°。由于TSX-5衛星的定軌和姿態控制精度沒有達到預定要求，星上激光通信終端無法捕獲到地面光通信終端發射的信標光，STRV-2計劃進行的星地激光鏈路試驗宣告失敗［2］。

日本“星間光通信工程試驗衛星”（OICETS）（日語為“閃光”之意）計劃，由日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）研制，該衛星于2005年8月23日發射，工作于610km 高的太陽同步軌道。OICETS計劃有兩個目的：①利用星上裝載的激光通信終端（LUCE）在自由空間與歐洲航天局（ESA）研制的“先進數據中繼與技術任務衛星”（ARTEMIS）之間，進行星間激光通信演示驗證；②利用LUCE進行星地激光通信演示驗證，該演示驗證包括與日本國家信息通信技術研究所（NICT）的光學地面站（OGS）通信試驗，試驗名稱為“閃光衛星與日本光學地面站的光通信演示試驗”（KODEN）。OICETS 衛星與德國航空航天研究院（DLR）的光學地面站的通信試驗，試驗名稱為“閃光衛星與德國光學地面站的光通信演示 試 驗”（KIODO）。2006年3月、5月 和9月，KODEN 試驗共進行了18次，衛星捕獲和跟蹤成功時間占整個試驗時間的61%，其余時間都處在多云等天氣條件較差的情況。2006年6月，KIODO 試驗進行了8 次，晴天條件下，捕獲和跟蹤成功率為100%。2008年OICETS衛星與NICT 所屬的光學地面站進行了通信試驗；2009年，OICETS 衛星與4個地面站分別進行了通信，4 個地面站分別屬于DLR、ESA、JPL 和NICT，通過氣象衛星或者天氣預報，在一個地面站有云層覆蓋時，選擇與另外的光學地面站通信，有效地增加了星地激光通信的效率［3］。

3 典型衛星激光通信終端設計方案比較

本節著重介紹以下3個國外典型的星地試驗計劃：STRV-2、ETS-VI（GOLD）和OICETS（KODEN／KIODO），并對其與鏈路設計相關的技術指標進行比較。

1）STRV-2［4］試驗計劃

STRV-2試驗計劃最終失敗，未能驗證激光通信鏈路設計的合理性，但從其公開資料中對終端指標的描述，也能了解激光通信鏈路設計的思想。

（1）終端基本信息：終端名為激光通信終端（LCT），質量為19．7kg，最大功耗為94．1 W。

（2）光學跟蹤瞄準子系統：采用波長為852nm 的信標光進行捕獲，激光器輸出功率為65mW，共2個激光器，束散角分別為500μrad和1500μrad。利用干涉濾波器CCD跟蹤瞄準，瞄準分辨率為6μrad，跟蹤精度為±40μrad。

（3）通信子系統：望遠鏡口徑為7．5cm，放大倍數為15；發射部分為雙通道極化復用，4個激光器，傳輸數據率雙通道達到1．24Gbit／s，波長為810nm，單個激光器輸出功率為62．5mW，束散角為80μrad，二進制相移鍵控（BPSK）調制；接收部分為2臺望遠鏡，主鏡孔徑為13．7cm，用2 個雪崩光電二極管（APD）作為通信接收探測器，APD視場角為800μrad，主鏡還用于1個原子濾波器CCD跟蹤瞄準通道，捕獲視場為20mrad，次鏡孔徑為3．8cm。

TSX-5衛星成功發射后，進入410km／1750km的橢圓軌道，之后TSX-5衛星搭載的激光通信終端與位于高山上的地面站進行了17次激光通信連接，但都沒能成功。該光學終端不能捕獲和跟蹤地面站發射的信標光有2個原因：①衛星的姿態控制精度設計值為±0．5°，實際在軌測試為6°；②該終端的PAT 方案捕獲跟蹤為開環設計，對衛星姿態沒有補償能力［4］。圖1 為TSX-5衛星搭載的激光通信終端LCT 功能框圖。

圖1 激光通信終端LCT 功能框圖Fig．1 LCT block diagram

2）ETS-VI（GOLD）［5］

（1）終端基本信息：終端名為激光通信設備（LCE），質量為22．4kg，最大功耗為94 W。

（2）光學跟瞄子系統：LCE 的粗跟蹤和粗瞄準方式有3種，即自由轉動模式、開環模式和閉環模式；精跟蹤和精瞄準方式有2種，即開環模式和閉環模式；提前瞄準控制方式有2種，即開環控制和閉環控制；接收探測器（APD）工作方式：自動增益控制和固定增益；捕獲和粗跟蹤轉動裝置為兩軸萬向節／螺旋掃描，捕獲探測范圍±1．5°，捕獲探測視場為8mrad，捕獲探測精度為32μrad。精跟蹤轉動方式為螺旋掃描，精跟蹤探測視場為0．4mrad。具有提前瞄準模塊：轉動方式為壓電陶瓷，提前瞄準范圍大于±100μrad，分辨率優于2μrad。

（3）通信子系統：望遠鏡口徑為7．5cm，放大倍數為15；發射子系統：波長為830nm，束散角為30／60μrad，平均輸出功率為13．8mW，傳輸數據率為1．024Mbit／s，調制方式為強度調制和曼徹斯特（Manchester）碼。接收子系統：接收探測器波長為510nm，探測信號強度為-62dBm時，誤碼率為10-6，視場為0．2mrad。

圖2為LCE的功能框圖，其光路為收發共用光路，箭頭方向為光信號的走向。

圖2 激光通信終端LCE功能框圖Fig．2 LCE Block Diagram

3）OICETS（KODEN；KIODO）［6］

（1）終端基本信息：終端名為以激光為工具的通信設備（LUCE），質量為140kg，最大功耗為280 W。

（2）光學跟瞄子系統：包含粗瞄準跟蹤和精瞄準跟蹤系統，粗瞄準跟蹤和精瞄準跟蹤相互獨立，控制頻率帶寬分別為：粗瞄準2Hz，精瞄準200Hz。捕獲和粗跟蹤轉動裝置為兩軸萬向節，粗瞄準轉動范圍方位角0°到370°，俯仰角0°到120°，直流驅動方式，開環瞄準精度優于±0．2°，粗跟蹤視場為0．4°，精跟蹤視場為400μrad，捕獲時間優于360ms，捕獲精度優于±3．6μrad（3σ），跟蹤精度優于±2．6μrad（3σ），傳感器CCD，精瞄準角度范圍為±500μrad，驅動方式為壓電陶瓷，精跟蹤精度為±1μrad。提前瞄準子系統：提前瞄準范圍大于±75μrad。

（3）通信子系統：望遠鏡口徑為26cm，放大倍數為20；發射子系統：波長為847nm，平均輸出功率為53mW，束散角為上行204μrad／下行5．5μrad，上行傳輸數據率為2．048 Mbit／s，下行傳輸數據率為49．372 4Mbit／s，調制方式為2PPM。接收子系統：接收探測器波長范圍為797～808nm，探測信號強度為-67．7dBm 時，誤碼率為10-6，視場為7mrad［7］。

圖3為LUCE的功能框圖，粗線表示的是光信號的傳輸路徑，細線表示的是電信號的傳輸路徑。

圖3 激光通信終端LUCE功能框圖［8］Fig．3 LUCE Block Diagram

根據任務的不同，激光通信終端的設計各有差異，表1為上述3個激光通信終端的參數比較。從表1中可以清晰地看出不同終端設計的共性與差異性。

表1 3種典型激光通信終端參數比較Table 1 Characteristics of three typical laser communications terminals

通過以上激光通信終端參數指標的比較，可以看出以下特點：①除了STRV-2 望遠鏡為收發分離外，其余終端設計都采用的是收發共用，后端光路進行分離。收發共用除可以使終端設計更加緊湊外，還能保證收發光路的同軸度好。②合理的光學跟蹤瞄準子系統應包含粗跟蹤和精跟蹤系統以及提前瞄準角的補償，PAT 方案捕獲跟蹤須要采用閉環設計，保證粗跟蹤和精跟蹤的精度。單純依靠整星姿態軌道控制的指向精度和穩定度，滿足不了鏈路建立和維持的要求。③上述激光通信終端多采用800nm 波段的激光，其具有較好的大氣投射能力，并且器件獲得性好，光源體積小，重量輕，器件功耗低，可直接調制，適合空間環境對器件各方面的要求。由于高速傳輸的需求，1550nm 波段的激光光源也被視為熱門研究對象，因為，該波段可采用激光器加摻鉺光纖放大器（EDFA）的光放大技術，來滿足高調制碼率條件下的大功率發射要求，該波段光源發射光束質量好，準直也較容易［9］。④3 個激光通信終端的通信數據率并不高，但在星間激光通信試驗中，已成功進行了數據率高達5．625 Gbit／s激光通信試驗，由于大氣湍流對激光通信的影響，使星地激光通信的設計難度大大增加，但是借用星間激光通信的成功經驗，通過系統設計優化和器件優化，星地激光通信的傳輸速率會大大提高，能滿足實際使用需求，而不是還停留在演示階段。

4 鏈路余量設計指標分析

在衛星激光通信系統的設計過程中，須要考慮各種實際因素的影響，這時通常采用鏈路余量公式來評價鏈路系統的性能。利用微波鏈路的分析方法，可以建立以下對應的激光鏈路余量公式［10］。

式中：M為激光星間鏈路余量，一般情況下至少有3dB；PLD為激光器的輸出功率（dBW）；GT為發射天線增益；τt為發射天線系統光學透射率；LFSL為自由空間傳輸損耗；GR為接收天線增益；τr為接收光學天線系統光學透射率；ηdd為直接探測的探測器接收效率；Sreq為達到系統誤碼率（BER）和信噪比（SNR）要求的最小光功率（dBW）；τatm為大氣損耗；LFM為大氣閃爍帶來的損失。以上各個參量均以分貝表示。

根據式（1），對第3節中典型的星地激光通信試驗的鏈路余量情況進行了復核，由于STRV-2激光通信試驗未取得成功，對其鏈路余量復核工作不能開展，因此本節對ETS-VI和OICETS試驗進行了復核，具體見表2、表3。

表2 ETS-VI（GOLD）鏈路余量計算［11］Table 2 Link budget analysis for ETS-VI（GOLD）

從表2和表3可以看出，OICETS鏈路余量比GOLD 試驗的鏈路余量大，在軌試驗的結果也與鏈路余量復核的結果相一致。GOLD 試驗完成了激光通信鏈路的建立，但是未見文獻報道其具體試驗的有效通信時間和誤碼率等信息。OICETS星地試驗，不僅多次完成了激光通信鏈路的建立與保持，在天氣條件較好的情況下，成功率為100%，在軌測試誤碼率在10-5～10-7之間。

表3 OICETS鏈路余量計算［12］Table 3 Link budget analysis for OICETS

5 結論

研究星地激光通信鏈路設計工作的意義，在于對通信系統總體的了解和掌握，并對參數的調整和一些硬件設備的選取提供理論數據。由國外典型星地激光通信試驗得出如下結論。

（1）PAT 子系統是保證星地激光通信試驗成功的基礎。典型PAT 系統分為粗跟蹤和精跟蹤兩部分，并且多數都有提前瞄準功能，以減少星地相對運動帶來的指向誤差。PAT 系統不僅完成了鏈路的建立和維持工作，其瞄準誤差參數還直接影響星地激光通信系統的性能及總體設計中對光源的選擇，以及接收機靈敏度指標、光學天線發射口徑等參數的確定。

（2）天氣條件是星地激光通信試驗重要的影響因素，晴天條件下，大氣帶來的能量損失最小，鏈路余量增大，星地激光通信試驗成功率高。鏈路余量設計時，對大氣帶來的能量損失要有足夠的預計，大氣對激光通信的影響非常復雜，就鏈路余量設計而言，歸為能量損失是簡單有效的方法。在激光地面站選址時，天氣條件也是一個非常重要的因素。

（3）高性能的激光通信終端應該滿足高碼率、小型號、輕量化、低功耗等要求。盡管望遠鏡口徑增大可以增大天線的增益，為鏈路余量的設計帶來好處；但是衛星對激光通信終端的質量、體積和功耗都有著嚴格的要求。未來星載激光通信終端的發展方向，就是通過各種光學技術使激光通信終端具備碼率更高，體積更小，質量更輕，功耗更低的特性，并且滿足鏈路余量設計要求。

（References）

［1］劉立人．衛星激光通信I鏈路和終端技術［J］．中國激光，2007，34（1）：1-18

Liu Liren．Laser communications in space optical link and terminal technology［J］．Chinese Journal of Lasers，2007，34（1）：1-18（in Chinese）

［2］張誠．星地光通信發展狀況與趨勢［J］．中興通訊技術，2006，12（2）：52-56

Zhang Cheng．Status and trends of satellite-to-earth optical communications［J］．ZTE Communications，2006，12（2）：52-56（in Chinese）

［3］Takayama Y，Toyoshima M．Estimation of accessible probability in a low earth orbit satellite to ground laser communications［J］．Radioengineering，2010，19（2）：249-253

［4］Kim I I，Hakakha H．Preliminary results of the STRV-2satellite-to-ground lasercom experiment［C］／／Free-Space Laser Communication Technologies XII．Bellingham：SPIE，2000：21-34

［5］Yoshinori Arimoto．Preliminary result on laser communication experiment using Engineering Test Satellite-VI（ETS-VI）［C］／／Free-Space Laser Communication Technologies VII．Bellingham：SPIE，1995：151-158

［6］Takayama Y，Jono T．Tracking and pointing characteristics of OICETS optical terminal in communication demonstrations with ground stations［C］／／Free-Space Laser Communication Technologies XIX and Atmos-pheric Propagation of Electromagnetic Waves．Bellingham：SPIE，2007：1-9

［7］Toyoshima M，Takizawa K．Ground-to-OICETS laser communication experiments ［C］／／Free-Space Laser Communications VI．Bellingham：SPIE，2006：1-8

［8］Jono T，Toyoda M．Acquisition，tracking and pointing system of OICETS for free space laser communications［C］／／Conference on Acquisition，Tracking，and Pointing XIII．Bellingham：SPIE，1999：41-50

［9］李曉峰．空-地激光通信鏈路波長選擇因素分析［J］．應用光學，2004，25（1）：30-33

Li Xiaofeng．The analysis of wavelength selection for space-to-ground laser communication［J］．Applied Optics，2004，25（1）：30-33（in Chinese）

［10］李曉峰．星地激光通信鏈路原理與技術［M］．北京：國防工業出版社，2007

Li Xiaofeng．The principle and technology of the satellite-to-ground laser communication links［M］．Beijing：National Defense Industry Press，2007（in Chinese）

［11］Toyoshima M，Takahashi T．Laser beam propagation in ground-to-OICETS laser communication experiments［C］／／Atmospheric Propagation IV．Bellingham：SPIE，2007：1-12

［12］Toyoshima M，Takayama Y．Ground-to-satellite laser communication experiments［J］．IEEE A＆E System Magazine，2008：10-18