“激光通信光學有效載荷”計劃
—美國星地激光通信演示驗證

朱貴偉（北京空間科技信息研究所）

“激光通信光學有效載荷”計劃
—美國星地激光通信演示驗證

朱貴偉（北京空間科技信息研究所）

2014年6月5日，美國航空航天局（NASA）利用新型激光通信設備成功地從“國際空間站”（ISS）向地球傳送了一段高清視頻，此舉將有助于極大提升未來深空任務的通信傳輸速率。回顧21世紀以來空間激光通信領域整體發展情況，歐洲和日本頻繁開展多項演示和試驗計劃，俄羅斯也在2012年首次實現了“國際空間站”到地面的星地激光通信試驗，而美國在演示試驗方面稍顯沉寂。自2013年底開始，美國開展多次星地激光通信試驗，最長通信距離近3.8×105km，展現出其在激光通信領域的強大實力。

1　試驗概況

“激光通信光學有效載荷”（OPALS）計劃是噴氣推進實驗室（JPL）在“輝騰”（Pheaton）計劃下開展的一個項目，以“國際空間站”為試驗平臺開展星地激光通信試驗，主要目的是快速培訓剛入職的專業人員，使其在高級管理人員和工程師的指導下，獲得研制小型、正樣載荷的實踐經驗。

“激光通信光學有效載荷”計劃的試驗方案、硬件設備和軟件均由噴氣推進實驗室設計和研制，從項目啟動到在軌演示試驗歷時近5年時間。2009年10月通過任務方案評審，2010年2月通過系統需求評審，2011年8月完成設計評審，2013年7月空間段有效載荷交付，2014年4月搭載太空探索技術（SpaceX）公司“龍”（Dragon）飛船發射升空。2014年5月7日，“激光通信光學有效載荷”計劃空間段載荷通過機械臂成功安裝在快速后勤艙-1（ELC-1）上，隨后進行了相關測試，并開始為期90天的激光通信試驗，在6月5日成功開展首次演示驗證。

這次試驗用時總計148s，美國航空航天局在試驗中將一段名為“你好，世界！”的視頻從“國際空間站”傳送至地球，該視頻大小為175Mbit，用時僅3.5s，數據傳輸速率達到50Mbit/s，如果采用傳統微波下行鏈路方式，需要10多分鐘時間。由于“國際空間站”以約2.81×104km/h的相對速度繞地球運行，而激光波束的寬度又非常窄，因此通信過程中精確的瞄準、跟蹤和鎖定就非常關鍵。這相當于一個人在約9m外用激光筆瞄準一根頭發的末梢，且邊走邊保持這一動作，其難度可想而知。

美國“激光通信光學有效載荷”試驗的體系框圖

2　體系架構

“激光通信光學有效載荷”試驗的開展，需要空間段和地面段的配合，除安裝在“國際空間站”上的有效載荷飛行系統（FS）外，還包括專用的地面站（GS）和任務操作系統（MOS）。此外，太空探索技術公司提供發射服務，通過貨運飛船將“激光通信光學有效載荷”運送至“國際空間站”，然后通過機械臂進行安裝。在載荷安裝完成后，地面任務管理系統通過馬歇爾航天中心、“跟蹤與數據中繼衛星”（TDRS）和“國際空間站”完成空間段載荷的測控。在整個試驗中，星地激光通信鏈路是關鍵，還需要地面光學站的配合。

3　系統構成

從“激光通信光學有效載荷”試驗本身來看，包括飛行系統、地面系統和任務操作系統三大部分。

飛行系統

飛行系統是指安裝在“國際空間站”的“激光通信光學有效載荷”的硬件部分，共包括3部分：①筒狀的密封容器，用于安裝激光器和電子期間等設備；②兩軸萬向節，用于支撐由相機和激光瞄準儀組成的光學頭；③“快速貨盤轉接器”（ExPA），即飛行釋放附帶機構（FRAM）的上半部分，用于提供“國際空間站”與“龍”飛船之間的機械和電接口。

密封容器直徑約56cm，由鋁鍛造而成，用來保護內部電子設備不受外部嚴酷真空環境影響，維持一個大氣壓下的常溫。內部電子設備用于飛行系統的控制，并且通過“國際空間站”的通信系統實現與地面任務操作系統間的通信。此外，密封容器內還搭載了加強型的軍事級激光器、定制的電源分配和調節板、兩個用于控制兩軸萬向節的電動驅動器，以及各種遙測數據采集儀器。所有部件都安裝在鋼絲繩隔振器上，以適應發射振動環境。所有電氣和光學導管都通過真空級饋通穿過墻板，連接到下方的飛行釋放附帶機構、萬向節和光學頭的各種連接器上。

“激光通信光學有效載荷”光學鏈路設計參數

“激光通信光學有效載荷”飛行系統構成示意圖（無連接線纜示意圖）

桌山光學望遠鏡外形圖

萬向節與光學頭也安裝在飛行釋放附帶機構上，萬向節負責光學收發機精確指向地面系統。兩個微步頻電機驅動萬向節轉動，通過硬停機方式實現110°×40°的指向范圍。為節省成本，萬向節機構放棄了電機編碼器方案，轉而使用航位推測法，通過已發送的電機步驟指令數量來計算萬向節的指向。因此，在每次使用前，都必須對萬向節進行校準，定義軸向參考點，以確保執行的精確度。光學頭質量約1.36kg，安裝在仰角軸上，攜帶一部商業相機，對地面上傳的976nm信標進行捕獲與跟蹤，利用定制瞄準儀將功率為2W的1550nm激光發送回地面站。

地面系統

在“激光通信光學有效載荷”體系中，地面系統是指提供上行鏈路信標、接收飛行系統光學下行鏈路所需的所有硬件和軟件，是加利福尼亞州桌山（Table Mountain）地面基礎設施內光學通信望遠鏡實驗室（OCTL）的組成部分。噴氣推進實驗室在光學通信望遠鏡實驗室原有設施的基礎上，開發了大量硬件和軟件。例如，在1m口徑的主望遠鏡后面增加了一系列光學鏡片，可對下傳的1550nm激光進行調節，使其聚焦在探測器上，同時還可以提供寬度1.7mrad的976nm信標光束，使得“國際空間站”上的飛行系統可以鎖定并跟蹤。

探測器位于光學鏡片之后，負責將光子轉換為電子，經處理后恢復出時鐘和下行鏈路信號。由此產生的比特流再經過軟件譯碼器，重構視頻文件，還原為發送前的數據格式。此外，地面系統還包括一個以太網接口，可連接到任務操作系統，確保數據傳輸。光學通信望遠鏡實驗室采用了三層激光安全體系，當上空有低空飛行物、商業航空飛機、光學敏感衛星等飛經時，該系統就會中斷地面激光信標傳輸，使地面發射的激光波束不會干擾到當地的航空交通。

光學通信望遠鏡實驗室地面光學站經歷了美國多次星地激光通信試驗，包括1992年的“伽利略”光學鏈路試驗（GOPEX）、1995-1996年的星地激光通信演示（GOLD）、2009年與日本“光學軌道間通信工程試驗衛星”（OICETS）的星地通信試驗，以及2013年的月球激光通信演示（LLCD）。

任務操作系統

任務操作系統包括支持有效載荷與地面站成功運行所需的全部人員、程序、設施、硬件、軟件和網絡等。對“激光通信光學有效載荷”來說，任務操作系統的主要任務是向飛行發送指令，處理遙測數據，將地面系統在10min內接收到的數據進行重構并展示出來。

在人員方面，包括飛行操作團隊和地面操作團隊。飛行操作團隊負責飛行系統活動的規劃與執行，地面操作團隊負責地面系統相關活動的規劃和執行。任務操作系統給的硬件包括4臺PC工作站，并配備了先進的軟件，用于指令生成、遙測接收、遙測顯示、遙測查詢、星歷管理、序列生成、相機機架查看、工程日志解析，以及配置管理等。最后，操作程序文件包括活動程序、飛行規則和操作接口等，以確保對飛行系統和地面系統進行正確的遠程操作。

4　試驗方案

“激光通信光學有效載荷”演示試驗的順利開展高度依賴飛行系統和光學通信望遠鏡實驗室地面系統間的雙向可視線路。滿足這一條件的時間段即為開展演示驗證的時間。為保證地面接收機重構信號所需的功率，要求指向精度達到300μrad（1σ）的量級。在演示驗證期間，由于“國際空間站”位置和姿態的預報難以達到這個量級的精確度，因此需要采用主動的、閉環指向系統。

“激光通信光學有效載荷”項目采用地面系統向飛行系統發射激光信標、飛行系統反饋控制跟蹤的方式，實現精確的指向。這種指向體系是近地激光通信采用的典型方案，有助于地面站的捕獲和跟蹤。

最初，光學通信望遠鏡實驗室望遠鏡向飛行系統發射一束激光信標，在演示驗證期間持續跟蹤“國際空間站”。需注意的是，該望遠鏡并不進行主動跟蹤，在整個演示過程中僅依靠軌道預報數據來實現對“國際空間站”的跟蹤。當“國際空間站”出現在地面望遠鏡25°仰角范圍內時，飛行系統開始利用一系列指向預報搜尋激光波束。由于飛行相機的視場大約是7°×9°，即使軌道預報存在誤差，地面信標也能進入相機的視場內。一旦飛行系統探測器探測到激光信標，飛行系統就會計算信標的中心位置，并驅動兩軸萬向節，使信標移動至探測器的中心，將偏離中心位置的可能性降至最低。

隨著飛行系統持續跟蹤地面信標，視頻數據也調制到下行鏈路激光信號上。在整個演示驗證過程中，調制序列持續處理視頻數據，從而增強信號魯棒性，對抗臨時性的衰減或云層遮擋。當演示驗證結束時，飛行系統執行一系列指令，激光器關閉、萬向節收攏。隨后，地面系統在接收數據的基礎上開始重構視頻。

“激光通信光學有效載荷”演示驗證的概念圖

5　總結

目前，國外在空間激光通信領域的發展已經非常先進，美國和德國實現了低地球軌道間5.6Gbit/s的數據傳輸速率；歐洲業務型衛星間激光通信計劃即將部署，目標速率是2.8Gbit/s；美國還在2013年底實現了3.8×105km距離上622Mbit/s的下行鏈路速率。反觀“激光通信光學有效載荷”試驗，在傳輸距離和傳輸速率上都沒有大幅提升，在傳輸體制上仍然采用較為落后的開關鍵控調制方式。這種反差是與此次試驗本身的目的直接相關的。

“激光通信光學有效載荷”是一個低成本項目，在資金、搭載平臺、兼容性等多方面受到了限制，其目的不是要提升傳輸速率，而是要加深對激光通信這一極富前景的技術領域的理解和認識，重點解決3個方面的問題：①大氣湍流特征化，包括通過記錄地面終端接收功率獲得下行鏈路衰減的統計特性，記錄飛行系統接收的信標功率獲得上行鏈路閃爍特性；②開展鏈路可用性研究，包括鏈路受地理、大氣和環境變化的影響，以及白天與黑夜對通信鏈路的效應；③評估地面系統開環跟蹤的指向特性，以及飛行系統捕獲、跟蹤和穩定的性能。

不論此次試驗的傳輸速率如何，都展現出激光通信在空間通信領域極大的應用潛力。美國航空航天局稱，目前深空探測任務典型的數據傳輸速率在200～400kbit/s之間，而此次“激光通信光學有效載荷”試驗已經將數據傳輸速率提高至50Mbit/s，未來激光通信應用于深空探測任務，有望將火星科學數據的傳輸速率提高到1Gbit/s。

目前，國外對空間激光通信熱情高漲。美國激光（Laser Light）公司宣布了建設全光通信星座計劃，地面測試系統已接近完工；美國航空航天局將利用商業通信衛星搭載載荷開展激光通信中繼演示計劃（LCRD）；歐洲泰雷茲-阿萊尼亞航天公司開始研制星上光處理設備，等等。相信隨著相關試驗和計劃的推進，業務型空間激光通信系統推出的步伐將會越來越快。

Optical Payload for Lasercomm Science(OPALS) Demonstration Experiment Carried out