空間激光通信技術(shù)的最新進(jìn)展與趨勢(shì)分析

鄭芝耀

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空間激光通信技術(shù)的最新進(jìn)展與趨勢(shì)分析

鄭芝耀

公誠管理咨詢有限公司，廣東 江門 529000

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的不斷提高，通信技術(shù)得到了快速發(fā)展，在各領(lǐng)域中應(yīng)用日漸廣泛。空間激光通信技術(shù)是通信技術(shù)發(fā)展下的產(chǎn)物，已成為現(xiàn)代超寬帶衛(wèi)星通信技術(shù)的熱門領(lǐng)域。主要對(duì)空間激光通信技術(shù)相關(guān)研究進(jìn)展與未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析，為我國空間激光通信技術(shù)的發(fā)展提供新的思路與借鑒。

空間激光通信；進(jìn)展；趨勢(shì)

人們將衛(wèi)星到地面及衛(wèi)星到衛(wèi)星的信息傳輸方式稱為微波通信。隨著人類航天探測活動(dòng)日漸頻繁，為微波通信使用創(chuàng)造了更大空間，但是當(dāng)前微波通信寬帶資源日益減少，不能滿足實(shí)時(shí)高速通信需求。由此，急需尋找一種高頻衛(wèi)星通信技術(shù)。激光通信載波頻率更高，帶寬資源更加豐富，滿足航天活動(dòng)的通信需求。美國及ESA各成員國對(duì)衛(wèi)星激光通信技術(shù)有了深入研究，獲得很多關(guān)鍵技術(shù)，并由此開發(fā)衛(wèi)星激光通信終端，技術(shù)也在走向成熟，下面將對(duì)國際空間激光通信技術(shù)最新研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)。

1 空間激光通信技術(shù)最新研究進(jìn)展

1.1 美國

美國正式實(shí)施的深空光通信項(xiàng)目，即LLCD（月球激光通信驗(yàn)證）在繞月飛行過程中能夠與接收終端間產(chǎn)生一種雙向光通信鏈路，以對(duì)月地距離情況下是否可以通過小型星載進(jìn)行高速激光通信可行性進(jìn)行驗(yàn)證。這一項(xiàng)目于2008年正式啟動(dòng)，有研究報(bào)道顯示，月球激光通信星載終端在2013年正式發(fā)射。LLCD系統(tǒng)有2個(gè)地面通信終端及LLOT，還有1個(gè)LLOC，下行速率為652?Mbit/s，上行速率為25?Mbit/s，實(shí)現(xiàn)了雙向激光通信[1]。LLST的終端采用模塊化設(shè)計(jì)方式，將光學(xué)模塊與調(diào)制模塊及控制模量結(jié)合起來，同時(shí)，光學(xué)模塊中有望遠(yuǎn)鏡與軸萬向節(jié)，望遠(yuǎn)鏡與后端光學(xué)部件均使用到了MIRU，可以對(duì)航天器引入高頻振動(dòng)進(jìn)行有效抑制。發(fā)射機(jī)與接收機(jī)調(diào)制模塊中采用MOPA結(jié)構(gòu)（詳見圖1），有振激光器，為DFB外部調(diào)制器，將外部調(diào)制器的13階PPM調(diào)制在光載波上，可以放大，形成功率為0.6?W的鏈路光信號(hào)。光接收機(jī)是一種低噪聲的EDFA探測接收機(jī)，結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 LLST激光通信發(fā)射機(jī)構(gòu)圖

圖2 LLST激光通信接收機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

控制模塊除了可以控制調(diào)制模塊與光學(xué)模塊以外，還具備提供LADEE與LLST間遙控及遙測接口功能。

1.2 歐洲

2005年，德國與美國合作開發(fā)出一種軌道運(yùn)行的高速星間激光通信系統(tǒng)，2007年，德國開發(fā)出LCT并成功搭載美國的LEO發(fā)射升空。同年，德國開發(fā)的LCT激光通信終端LCTSX搭載LEO衛(wèi)星升空。2008年，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星間首次子碼速率為4.850?Gbit/s的激光通信實(shí)驗(yàn)。到了2009年，開展了衛(wèi)星到地面站與地面站到衛(wèi)星的通信試驗(yàn)，碼速率為5.203?Gbit/s[2]。此項(xiàng)試驗(yàn)也證實(shí)了星間高速相干光通信是可行的，但是容易受到大氣效應(yīng)干擾，出現(xiàn)突發(fā)性錯(cuò)誤，仍需要進(jìn)一步研究與完善。

1.3 日本

2011年，日本NICT研制成功衛(wèi)星光通信雙波段數(shù)字零差相干接收機(jī)，可以利用數(shù)字信號(hào)對(duì)BPSK信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，還能處理載波相位恢復(fù)技術(shù)與零差相干接收技術(shù)，同時(shí)對(duì)6?Gbit/sBPSK信號(hào)進(jìn)行解調(diào)[3]。當(dāng)前，日本NICT啟動(dòng)SOCRATES計(jì)劃，目的是成功開發(fā)出搭載50?kg小衛(wèi)星超小型的LEO激光終端，即SOTA；子碼速率為1～15?Mbit/s，用于遙測圖像傳輸數(shù)據(jù)。

2 空間激光通信技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

2.1 探測體制從直接探測變?yōu)橄喔商綔y及復(fù)合探測

在相同的碼速率與誤碼率下，相干探測的靈敏度較直接探測高出20?dB，可以將整個(gè)系統(tǒng)的體積與質(zhì)量降低，進(jìn)而節(jié)約成本。此外，相干探測波長選擇性更大，可以有效抵抗背景光干擾，成為高碼率通信的一種首選。此外，復(fù)合探測也是未來發(fā)展趨勢(shì)，可以提高光通信系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性，使系統(tǒng)間互通更加高效、緊密。比如，2011年日本的NICT成功開發(fā)出了雙波段數(shù)字的零差相干接收機(jī)，使用了相干探測與復(fù)合探測技術(shù)，可以對(duì)0.06?um及1.55?um波段信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，同時(shí)解調(diào)BPSK信號(hào)[4]。

2.2 通信波長向1.55?um波段過度

通信系統(tǒng)波長通常為0.80?um、1.06?um、1.55?um幾個(gè)波段。受探測技術(shù)與激光器的限制，造成波長為0.80?um，通信為每秒幾比特[5]。而當(dāng)前，空間激光通信系統(tǒng)普遍應(yīng)用1.06?um、1.55?um波段，通信速率大大提高，探測靈敏度更高。

2.3 納米技術(shù)促使納米通信技術(shù)的發(fā)展

納米光電子器件是納米激光通信技術(shù)的核心組成，當(dāng)前已經(jīng)有多種納米光電子器件問世，包括納米激光器、納米開關(guān)及量子保密通信使用的納米單光子發(fā)射器等。應(yīng)用納米光電子器件以后，可以產(chǎn)生高速光電雙穩(wěn)態(tài)邏輯系統(tǒng)單元，速率將達(dá)到80?Gbit/s，且納米光電子器件的性能更加優(yōu)越，響應(yīng)速度更快、體積更小，穩(wěn)定性更強(qiáng)等。美國的LLCD與LRCD等項(xiàng)目中均應(yīng)用到了納米電子器件，SNSPD探測速率更高，陣列探測下行622?Mbit/s，16階PPM調(diào)制光信號(hào)，響應(yīng)時(shí)間不超過15?ns。但是SNSPD依然需要冷卻后使用，適應(yīng)星載單光子探測器的能力較弱。

3 結(jié)束語

空間激光通信因?yàn)榫邆鋷拑?yōu)勢(shì)，成為未來空間寬帶通信的主要形式，美國、德國及日本等國家已經(jīng)對(duì)空間激光通信有了深入研究，開展了大量的技術(shù)研究與試驗(yàn)，這些寶貴的研究成果對(duì)我國是一種借鑒，同時(shí)也是激勵(lì)，可以更好地推進(jìn)我國空間激光通信技術(shù)的發(fā)展。

[1]陳剛，蔡燕民，陳高庭，等.空間激光通信技術(shù)若干問題的討論[J].紅外與激光工程，2010，29（3）：44-48.

[2]高薇.空間激光通信技術(shù)在我國深空探測中的應(yīng)用初探[C]//中國宇航學(xué)會(huì)深空探測技術(shù)專業(yè)委員會(huì)第二屆學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2010：95-97.

[3]高天元，胡源，姜會(huì)林，等.機(jī)載空間激光通信大氣附面層影響及補(bǔ)償技術(shù)研究[J].兵工學(xué)報(bào)，2015，36（12）：2278-2283.

[4]朱殷，陳浩，徐融，等.優(yōu)化的一維激光清理空間碎片流體力學(xué)模型[J].紅外與激光工程，2016，45（z1）：177-182.

[5]劉宏展，孫建鋒，劉立人，等.空間激光通信技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析[J].光通信技術(shù)，2010，34（8）：39-42.

The Latest Development and Trend Analysis of Spatial Laser Communication Technology

Zheng Zhiyao

Gongcheng Management Consulting Co., Ltd., Guangdong Jiangmen 529000

With the continuous improvement of China’s economic development level, communication technology has been developed rapidly, and it has been widely used in various fields.Spatial laser communication technology is the product of communication technology development.It has become the development of modern ultra-wideband satellite communication technology. The This paper mainly analyzes the research progress and future development trend of space laser communication technology, and provides new ideas and reference for the development of space laser communication technology in China.

space laser communication; progress; trend

TN929.1

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1009-6434（2017）02-0054-02