空間激光通信光端機發展水平與發展趨勢

王嶺，陳曦，董峰

（1.天津大學　電氣與自動化工程學院，天津　300072；2.天津航海儀器研究所，天津　300451）

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空間激光通信光端機發展水平與發展趨勢

王嶺1，2，陳曦2，董峰1

（1.天津大學電氣與自動化工程學院，天津300072；2.天津航海儀器研究所，天津300451）

摘要：激光通信技術和傳統通信技術相比具有極大的優越性和廣闊的應用前景，其中光端機是實現空間激光通信的核心系統。論述了近年來發達國家在光端機研發方面所取得的成果，討論了光端機研發的發展趨勢。在未來多型平臺之間進行組網激光通信的背景下，對光端機上一對多通信光學天線的各種設計方案進行了梳理，從幾個方面評價了各種設計方案的優缺點，并對網絡化通信的光學天線關鍵技術提出了一些新的思考和分析。

關鍵詞：激光通信；光端機

1　空間激光通信技術發展的歷史沿革

隨著世界對高速率、海量數據通信需求日益增長，對空間信息網絡的高速處理和傳輸能力要求也越來越高。特別是高精度對地觀測迅速發展，對數據傳輸速率和實時性要求提高，單通道速率達到每秒千兆比特量級，超出了當前微波傳輸的能力極限［1-4］。目前微波的傳輸速率僅為百兆級別，G比特帶寬已經接近微波通信的極限。和微波通訊相比較，激光頻率約為微波頻率的萬倍以上，在通信中傳輸信息量大、數據傳輸速率高，可以作為下一代通信手段滿足未來要求［5，6］。激光通信就是以激光束作為載波進行各種數據傳輸，除了具有容量大的特點外還具有光學增益大，發散角小，抗干擾和抗截獲能力強、系統體積小、質量輕、功耗低等壓倒性優勢，能夠對戰場態勢和自然災害等重要情況實施“現場直播”式偵查，這無論對國防安全還是對國計民生都有著重要的意義，因此激光通信是一種國家戰略通信手段［7］。

自從上世紀60年代激光問世以來，人們開始探索激光通信技術的可能性。到了70年代，世界各國的研究逐漸形成了一些相關技術理論。在80年代，隨著電子技術的進步，美歐日等發達國家陸續開始對激光通信理論開展了一些實驗原理驗證工作。到了90年代美日歐各國開展了各種地面通信驗證實驗。從上世紀末至今激光通信技術發展速度迅猛，世界主要發達國家在各種平臺和鏈路上進行了大量激光通信技術工程化實驗，取得了許多具有里程碑意義成果，標志著激光通信技術走向成熟［8-11］。

表1　典型光端機的技術代劃分

2　國內外激光通信光端機的發展現狀

實現激光通信的載體叫光端機。光端機是實現空間激光通信技術的核心，它是以光學系統為基礎，借助APT、自動控制等輔助技術，實現激光通信的功能。隨著各種平臺和鏈路激光通信實驗的進展，激光通信的核心系統——光端機的研發也發生了質的飛躍［12-14］。

2.1國外光端機發展情況

目前，美、日、歐是開展激光通信系統研究的先進國家，對空間激光通信鏈路理論、關鍵技術進行了深入研究，在不同的平臺上、不同的鏈路里進行了大量、豐富的工程化實驗，積累了豐富的成果。而完成這些實驗成果的核心系統即光端機大致經歷了兩代的發展進化過程。

表1列出的是典型的激光通信光端機的型號。以輕小型化、高速率通信、相干探測等技術水平為標志，把光端機分劃為第一代和第二代。第一代光端機主要用于各種平臺和鏈路的工程驗證試驗。德國LCTSX第二代光端機的誕生，標志著激光通信技術實用化的硬件條件接近成熟［15-17］。

第一代光端機最著名的代表系統是法國的SELEX系統和日本的LUCE系統。

2.1.1第一代SILEX光端機

法國的SILEX光端機屬于第一代激光通信載荷，它被搭載在多個衛星平臺上與多個國家的通信系統在不同鏈路條件下進行了大量各種具有里程碑意義的激光通信工程實驗，如圖1所示為SILEX光端機系統結構及其在ARTEMIS高軌衛星的應用。

SILEX光端機的重量約為157公斤，只能單向通信，上行通信速率50Mb/s，信號探測方式為直接探測，信號發射功率僅為百毫瓦級。

2001年，ESA的高軌ARTEMIS衛星和法國的低軌SPOT 4衛星搭載了第一代光端機SILEX系統，成功地進行了人類首次LEO對GEO衛星的單向通信實驗，如圖2（a）所示，傳輸距離是40000公里，上行傳輸速率為50M。而后系統又與西班牙特內里費島的OGS進行了上百次的鏈路試驗，驗證了光端機APT系統性能，但只有上行鏈路通信成功。2006年12月歐空局ARTEMIS衛星搭載的SILEX終端與法國“神秘”-20飛機的LOLA光端機進行了上百次激光通信試驗，如圖2（b）。通信距離約36000公里，單向傳輸速率為50MbPS，捕獲時間小于1秒。試驗目的是掌握在復雜的天氣狀況從不同的高度接入系統的性能和可靠性，2007年，通過ARTEMIS中繼通信，首次使地面和飛機的音頻、視頻實現了同步［18-21］。

圖1　SILEX光端機系統及應用

圖2　SILEX光端機的激光通信實驗

2.1.2第一代LUCE光端機

1985年日本為實現與歐空局的ARTEMIS衛星之間的激光連接，研制了與SILEX激光通信終端兼容的第一代LUCE光端機，其系統結構及應用如圖3所示。其總體指標和SILEX系統相似，激光發射機采用GaAlAs半導體激光二極管，粗跟蹤傳感器采用CCD探測器，精跟蹤傳感器采用四像限探測器QD。主要技術指標為：通信波長平均發射功率為100mW；調制模式為非歸零碼直接強度調制；通信速率為50Mbit/s，誤碼率為10-6；望遠鏡口徑為260mm；終端質量為140kg；通信功耗為220W。這臺光端機被搭載在激光通信專用低軌衛星OICET上，于2003年9月，LUCE終端在歐空局的光學地面站進行了與Artemis衛星的雙向通信試驗［22-24］。在2005年9月-2006年2月與歐洲Artemis衛星的SILEX系統實現世界首次星間雙向激光通信。通信距離為45000公里，發射傳輸速率為50Mbps，接收速率2Mbps。2006年3月，LUCE與日本（NICT）光學地面站成功進行了雙向光學通信實驗。2006年6 月7日，LUCE終端與德國宇航中心移動光學地面站之間實現激光通信實驗，在國際上首次實現低軌衛星與移動光學地面站的激光通信，通信實驗如圖4所示。

此外LUCE光端機還與西班牙Tenerife、日本東京等地面OGS進行了星地激光通信工程試驗，日本也憑借LUCE系統一躍成為了激光通信技術強國［25-28］。

圖3　LUCE光端機系統及應用

圖4　世界首次衛星雙向、多鏈路通信實驗

2.1.3第二代LCTSX光端機

SILEX項目的成功是空間激光通信的一個巨大進步，但其光端機重量較大、通信速率較低，還不能作為微波通信的輔助通信手段。作為SILEX系統后續計劃的產物，德國Tesat公司又研發出LCTSX光端機，該系統重量不到30公斤，口徑僅125mm，雙向通信速率可達8Gb/s，采用相干信號探測方式，發射功率為瓦級［29］，系統結構及應用如圖5所示。LCTSX沒有專門的信標激光器，也沒用采用多像素的焦平面陣列進行光束捕獲。可調諧Nd∶YAG激光器發出的1064mm激光兼具信號光和信標光作用，在捕獲階段適當提高輸出功率以降低捕獲難度。通信雙方采用大視場的四象限探測器（QD）直接捕獲光束，交替進行螺旋掃描不斷提高對準精度，最終實現閉環跟蹤。這樣零信標系統節省了一套光源，同時減少了終端內光學表面、鍍膜、光軸調較、光束分合等設備，而且收發光束能夠最大程度的共軸傳輸，光路自校準也相對容易［30］。從輕小型化、通信速率、探測方式來看，LCTSX光端機與第一代光端機已經不可同日而語，這套系統的問世在激光通信技術的發展上具有劃時代的意義。

圖5　LCTSX光端機系統及應用

2008年3月美國NFIRE衛星與德國TerrSAR—X衛星分別搭載LCTSX光端機在低軌道成功實現雙向零差相干探測通信。通信距離為3800至4900公里、傳輸速率為5.625Gbps［31］，如圖6所示。

圖6　德國TerraSAR-X和美國NFIRE進行星間相干探測通信

2009年12月TerraSAR-X、NFIRE衛星對美國夏威夷地面站、西班牙Tenerife島地面站實現相干探測通信。通信距離600～1500km、雙向通信速率為5.65Gbps［32］，如圖7所示。

圖7　德國TerraSAR-X星-地鏈路的光通信實驗

LCTSX光端機系統的試驗成功具有非常重大的意義，這是激光通信首次超過微波通信，體現出大帶寬、高速率的優勢，各種技術突破極大地推進了激光通信技術的實用化進程，并且讓世界認可了激光通信技術的意義［33］。

2.1.4日本第二代光端機

從2008年開始，日本也在開發其具有第二代光端機性能的激光通信光端機系統，并在高功率光放大器、相干/零差探測器、精密跟蹤指向系統等方面取得了巨大進展，其結構如圖8所示。比LUCE光端機在通信速率、重量、和消耗功率方面有了很大的進步。其通信能力為雙向速率2.5Gb/s，通信波長為1.064μm，重量小于35公斤，采用二進制相位鍵控調制/零差探測，其捕獲和粗跟蹤系統采用同一束光；采用Nd∶YLF crystal waveguides作為光功率放大器，其特點是效率高，體積小，與目前常用的光纖功率放大器相比，其耐宇宙輻射的能力更強（壽命長15年）［34］。

2.2國內光端機發展情況

相比于歐洲、日本和美國，我國在空間光通信領域起步較晚，在20世紀90年代才開始有比較多的研究。但我國在該領域發展迅速，多家單位開展了深入研究，主要機構有哈爾濱工業大學和長春理工大學等高校，中國科學院上海光學精密研究所和中國科學院光電技術研究所（成都）等中國科學院研究單位，以及中國電子科技集團公司第34所和27所等。值得一提的是，國內不同研究機構的研究方向各有不同，呈現出比較鮮明的特點［35］。

星載對地通信光端機的研發方面，哈工大于2011年進行的星地通信實驗取得成功，通信距離為2000公里，速率為504Mbps。

空地通信光端機的研發方面，長春理工大學空間技術研究所于2011年實驗成功，通信速率為1.5Gbps，通信距離為17.5公里。

飛機對飛機通信光端機的研發方面，長春理工大學空間技術研究于2013年實驗成功，通信速率為2.5Gbps，通信距離為144公里。亦有其他單位的相關研究也取得了更多成就。

我國目前在空間光通信領域發展勢頭良好，下一步應該結合各個單位的研究特點，加強交流與合作，并爭取在基礎器件研制和最新理論研究上取得突破。

3　未來激光通信光端機的發展趨勢

經過近40年的發展，星間激光通信從理論探索到實驗研究，從地面驗證到星載實驗，通信速率從50Mb/s發展到5.6Gb/s，已經步入接近成熟的第二代，距離實際應用越來越近。借助衛星激光鏈路組建空間骨干網具備了初步的硬件條件，空間組網是衛星激光通信下一步發展趨勢。激光通信只有在多平臺實現組網才能發揮其更大價值，即通過激光鏈路把不同軌道的衛星和空間站、飛機、浮空器、地面的基站（OGS）、艦船、汽車等組成空天陸海為一體的全方位戰略通信網絡，實現立體的全方位的通信連接。目前美國、歐洲、日本、俄羅斯等國家均提出了雄心勃勃的多平臺間激光通信網絡發展計劃［36］。

3.1美國

美國提出了多種激光通信衛星組網方案，如Teledesic 288星計劃，Celestri63星計劃以及過渡系統——TSAT計劃。TSAT計劃將于2016年實施，能夠向全球部署部隊提供具有高帶寬的衛星通信能力，其類似于因特網通信系統，包括星地通信、星星通信、星船通信等，預計達到的通信速率為10Gbps—40Gbps。主要優點是通信速率快、帶寬較高；覆蓋范圍大；各種通信手段互補。主要缺點是多種復合方式難度較大；結構實施復雜，其組網示意如圖9所示。

圖9　美國TSAT高速信息傳輸空間激光通信組網示意圖

3.2歐洲

隨著歐洲“全球環境監測與安全”項目的實施，估計每天將有6TB的數據需要從空中向地面傳輸，以目前的空間激光通信能力，很難保證海量數據傳輸實時性和質量；同時目前歐洲是通過境外地面通信站來獲得地面觀測衛星的數據，這嚴重威脅了歐洲的獨立自主的戰略方針。基于此，歐洲準備建立下一代數據衛星系統（EDRS），將用三顆Alpha SAT中繼衛星于45000km軌道高度搭載一個LCTSX光端機的升級版（望遠鏡口徑增大、通信光功率增大）和一個Ka波段微波通信終端（通信速率600Mbps），在三顆GEO衛星之間以及GEO衛星到地面之間的骨干網絡均采用激光互聯進而覆蓋全球，為氣象、電臺、監測等特殊用戶提供1.8Gbps高速率遠程數據服務，原理如圖10所示［37］。

圖10　歐洲數據中繼衛星系統（EDRS）骨干網激光通信示意圖

3.3日本

日本提出激光與微波通信相結合的雙層低軌道全球通信組網方案，具體論證了在地球700公里和2000公里的低空中部署兩套衛星系統的可行性；衛星之間采用激光互聯技術進行信息傳遞，與地面關口站的通信鏈路由上層衛星負責，采用激光鏈路；下層衛星負責與小型地面站和移動用戶（包括個人移動通信）的通信，采用微波鏈路。主要優點是雙低軌組合優勢互補、覆蓋范圍廣、激光和微波手段復合。主要缺點是雙軌道實施難度較大、結構實施復雜。可以應用于星間、星地、地面站與移動用戶等多種終端的組網通信，其組網通信示意如圖11所示。

圖11　歐洲數據中繼衛星系統（EDRS）骨干網激光通信示意圖

但是與微波通信技術較易實現大范圍、寬覆蓋通信能力相比，目前國際上的光端機通信系統僅能實現一點對一點的通信，尚未能夠實現多平臺間組網通信，這嚴重制約了激光通信技術的快速推廣和在各領域的應用。因此未來的光端機設計必須滿足多平臺一點對多點通信功能，同時還要滿足動中通、雙工通等要求。

針對如何實現組網激光通信的這一難題，國內外科研人員提出了多種光端機設計方案，針對激光通信組網技術已經進行了各種探索，但是尚未有成熟的技術解決組網通信問題。比如美國朗訊公司在其專利US6445496B1中提出了一種擴大視場型一對多組網通信的設計概念，原理如圖12所示。系統采用擁有較大的焦平面的卡氏系統為發射端和接收端提供自動對準，并在接收端焦平面處放置N×N的光纖陣列實現單個光學望遠鏡的一點對多點空間激光通信。

圖12　光纖陣列型一對多組網結構

美國的Tearbeam公司在其專利US6912360B1提出另一種一對多組網通信設計方案，原理如圖13所示。光端機D是一個卡氏系統，其光輸入端與信號光源耦合指向遠處的通信光端機A、B或C，通過調節光輸入端的位置進行移動跟蹤通信實現一點對多點激光通信。

圖13　自由空間一點對多點激光通信示意圖

這兩種方案的優點是結構較為簡單，避免了使用復雜的APT系統，但是缺點是組網通信范圍小，經計算當視場角超過0.5°時其能量利用率將低于2.1%，且光纖陣列排列密集將會帶來較為嚴重的信號串擾。

通過激光通信網絡進行高質量、海量信息傳輸是必然趨勢，也是激光通信技術廣泛應用的必然目標。實現激光通信組網的核心條件是每個平臺對其他多個平臺同時、動態、大范圍、雙工通信，但是目前國際上尚未見成熟有效方案實現此目標，因此未來應該加強對此方向的針對性研究。

4　總結與展望

本文對激光通信技術的核心系統----光端機的發展進程進行了綜述，分析了該領域的研究現狀，對激光通信及其載體光端機的網絡化一體化趨勢進行了分析與評述。總的來說，不論從理論研究還是應用研究實證分析方面，國內對激光通信組網技術和適用于組網通信的光端機的研究都還處于方案論證階段，這也就意味著許多問題還有非常大的空間有待我們進一步的深入探索。

針對這種現狀，我們的研究應主要集中在以下幾個方面：

（1）及時跟蹤激光通信網絡化、一體化的最新研究理論、趨勢和動向，特別是對具體研究內容予以較為深入的關注。

（2）進一步展開對適用于空間組網通信的光端機方案進行深入的論證和研發，包括自動化設計、誤差分析、裝調方案等，探索新的設計原理和方案。

（3）加強激光通信技術研究成果和民用領域需求的結合將對激光通信事業的快速發展具有重要的實際意義。

參考文獻

［1］李勇軍，趙尚弘，吳繼禮，等.全球覆蓋穩定拓撲LEO/ MEO雙層衛星光網絡設計［J］.光電子·激光，2009，30 （3）：324-328.

［2］姜會林，佟首峰.空間激光通信技術與系統［M］.北京：國防工業出版社，2011：9-22.

［3］李勇軍，趙尚弘，李嘵亮.基于分層協議的衛星光網絡組網研究［J］.光通信技術，2006，30（4）：43-44.

［4］趙尚弘.衛星光網絡技術［M］.北京：科學出版社，2010.

［5］儲修祥.中繼鏡系統激光傳輸與變換的理論研究［D］.長沙：國防科學技術大學，2009：68-75.

［6］劉宏展，孫建鋒，劉立人.空間激光通信技術發展趨勢分析［J］.光通信技術，2010，34（8）：39-42.

［7］佟首峰，姜會林，張立中.高速率空間激光通信系統及其應用［J］.紅外與激光工程，2010，39（4）：649-654.

［8］戴國梁，趙尚弘，李勇軍等.三層衛星光網絡鏈路性能分析［J］.通信技術，2007，40（12）：375-378.

［9］劉立人.衛星激光通信II-地面檢測和驗證技術［J］.中國激光，2007，34（2）：1-9.

［10］李勇軍，趙尚弘，張冬梅，等.空間編隊衛星平臺激光通信鏈路組網技術［J］.無線電通信，2006，10（4）：47-49.

［11］Weber W J，Cesarone R J，Abraham D S，et al.. Transforming the deep space network into the interplanetary network［J］.Acta Astronautica，2006，60 （80）：411-421.

［12］Keith E Wilson，Joseph Kovalik，Abhijit Biswas. Preliminary results of the OCTL to OICETS optical link experiment［C］.SPIE，2010，7587：758703.

［13］Mori Toyoshima，Yoshihisa Takayama，Hiroo Kunimori etal..Dataanalysisresultsfromthe KODEN experiments［C］.SPIE，2007，6709：67091C.

［14］Isaac KiM，Brian RiLEY，NicHOLas M WOng，et al. Lessons learned from the STRV2satellite-toground lasercom experiment［C］.SPIE，2001，4272：1-15.

［15］Jon Hamkins，Samuel Dolinar，Dariush Divsalar，et al. capacity and capacity sensitivity of soft output optical channels［C］.SPIE，2001，3932：170-180.

［16］吳繼禮，趙尚弘，胥杰，等.相干光脈沖位置調制信道容量及傳信率最大化研究［J］.光學學報，2008，8（4）：643-647.

［17］Thomas W，Malcolm，Wright W，et al. OCTL to OICETS optical link experiment electro - optical systems［C］.SPIE，2010，7587：75870Y.

［18］Kovalik J，Biswas A，Wilson K. Data Products for the OCTL to OICETS optical link experiment［C］. SPIE，2010，7587：75870C.

［19］袁宏武，梅海平，黃印博，等.大氣氣溶膠粒子的時延效應及其對激光程差的影響分析［J］.光學學報，2010，30（7）：1945-1949.

［20］Zoran Sodnik，Josep Perdigues，Armengol，et al. Adaptive optics and ESA’s optical ground station ［C］.SPIE，2009，7464：746406.

［21］Troy M，Roberts J，Guiwits S，et al. Performance of the optical communication adaptive optics testbed［R］.IPN Progress Report，2005.

［22］陳婭冰，趙尚弘，朱蕊蘋，等.自由空間中衛星激光通信［J］.系統工程與電子技術，2003，25（9）：1173-1175.

［23］劉濤，莊茂錄，趙尚弘.自由空間光通信中的振動抑制研究［J］.光通信技術，2004，28（1）：46-48.

［24］趙尚弘，劉濤.衛星光通信光束對準誤差分析［J］.半導體光電，2005，26（1）：44-46.

［25］劉濤，趙尚弘，方紹強，等.振動和大氣湍流對星地光通信鏈路性能的影響［J］.空軍工程大學學報，2005，6 （2）：55-58.

［26］梁平，趙尚弘，李勇軍.基于波長路由的衛星光網絡研究［J］.光通信技術，2006，30（9）：44-46.

［27］李勇軍，趙尚弘，李嘵亮.基于分層協議的衛星光網絡組網研究［J］.光通信技術，2006，30（4）：43-44.

［28］戴國梁，趙尚弘，李勇軍，等.三層衛星光網絡鏈路性能分析［J］.通信技術，2007，40（12）：375-378.

［29］李勇軍，趙尚弘，吳繼禮.零相位因子LEO/MEO雙層衛星光網絡設計［J］.中國科學F輯，2010，3（7）：1261-1276.

［30］陳興林，鄭燕紅，王巖.光斑噪聲對星間光通信的影響及抑制算法［J］.中國激光，2010，37（3）：743-747.

［31］Sodnik Z.Adaptive optical and ESA’s optical groundstation［R］.Bellingham：SPIE，2009.

［32］Smutny B.5.6Gbps optical inter-satellite communication link［R］.Bellingham：SPIE，2009.

［33］Zoran S，Bernhar F，Hanspeter L.Free-space lasercommunication activities in europe：SILEX and beyond［R］.New York：IEEE，2006.

［34］黃展，李陸.彌憲梅，等.空間通信協議SCPS及其應用現狀問題與展望［J］.電訊技術，2007，47（6）：7-11.

［35］顧明，張軍.SCPS-TP協議用于LEO衛星網的性能分析與改進［J］.遙控遙測，2007，28（1）：30-33.

［36］楊奕飛，叢波，李強，等.CCSDS標準在新一代航天測控系統中的應用研究［J］.電訊技術，2007，47（5）：166-168.

［37］宋世杰，萬鵬，崔亭，等.SCPS-SP密鑰管理及與IPSEC互操作途徑［C］.中國宇航學會飛行器測控專業委員會2007年航天測控技術研討會論文集，2007：52-56.

Development Level and Trend for Space Laser Communication Optical Transceiver

WANG Ling1，2，CHEN Xi2，DONG Feng1
（1.School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University，Tianjin 300072；2.Tianjin Navigational Instruments Institute，Tianjin 300456）

Abstract：Compared with traditional communication technology，laser communication has great advantages and broad application prospects. Optical transceiver is the core of space laser communication system. Optical transceiver achievements in recent years and developments for it have been discussed in this paper. Under the background of more platforms among networks for laser communication，various kinds of optical antennas for optical transceiver have been discussed，including several aspects of advantages and disadvantages. Some new thoughts and analysis on network communication technology of optical antenna have been puts forward.

Key words：laser communication；optical transceiver

中圖分類號：TN929.11

文獻標識碼：A

文章編號：1672-9870（2016）02-0039-07

收稿日期：2015-09-21

作者簡介：王嶺（1978-），男，博士，高級工程師，E-mail：wangling_tju@tju.edu.cn