國外衛星激光通信進展概況

隨著高分相機、合成孔徑雷達和大容量衛星通信等空間技術的發展，各種航天器的信息傳輸量呈指數級增長，目前衛星主要采用的以微波為主的通信手段已難滿足相應需求，促使業界向激光通信方向發展。空間激光通信是一種利用激光束作為載波在空間進行圖像、語音、信號等信息傳遞的通信方式，具有傳輸速率快、通信容量大、抗干擾能力強、安全保密性高、系統終端體積小/質量輕/功耗低等優勢，成為未來衛星通信鏈路的發展趨勢之一，并引發各航天強國的研究熱潮。

截至2018年8月，中國已經先后發射了5顆光學通信實驗衛星，分別是海洋二號衛星（2011年8月16日發射）、墨子號量子科學實驗衛星（2016年8月16日發射）、實踐十三號衛星（2017年4月12日發射）和北斗三號全球系統M11和M12衛星（2018年8月25日發射）。美國、歐洲、日本以及俄羅斯等均在衛星激光通信領域開展相關技術研究和在軌試驗，逐步突破了衛星激光通信系統所涉及的各項關鍵技術，不斷推動衛星激光通信邁向工程實用化。本文總結梳理了全球已經完成的典型衛星激光通信在軌試驗，如表1所示，重點介紹2017年至2018上半年國外衛星激光通信的最新進展。

1.美國加速發展空間激光通信技術

美國是世界上開展空間激光通信最早的國家，主要研究部門是美國國家航空航天局（NASA）和美國空軍，而隨著商業航天的興起，美國已有數家初創公司開始開展衛星激光通信業務。

NASA選擇噴氣推進實驗室開展衛星激光通信系統的研制，于2000年完成了激光通信演示系統(OCD)試驗。美國空軍的戰略導彈防御組織選擇麻省理工學院林肯實驗室開展空間激光通信的研發工作，所研制的激光通信終端已完成作用距離42km、信息率1Gbps、誤碼率為10-6的全天候跟瞄試驗。美國已完成的衛星激光通信試驗如表1所示，此外美國曾提出轉型衛星通信系統（TSAT）計劃，通過高速激光星間鏈路實現數據互聯，傳輸速率可達20Gbps，并可實現衛星與飛機的激光通信鏈路，傳輸速率可達2Gbps。但由于財政經費問題，TSAT計劃于2009年被美國國防部取消。

近兩年來，商業航天公司促進了衛星激光通信技術的發展，NASA也積極推動衛星激光通信技術的研發與驗證，為未來海量空間數據的傳輸尋求解決方案。綜合來看，美國在衛星激光通信技術領域有如下7個方面的進展。

1.1 BridgeSat公司衛星激光通信新進展

2018年3月12日，NASA與美國BridgeSat公司簽署衛星激光鏈路開發協議，該事件是美國商業衛星激光通信系統誕生的里程碑，未來該系統將滿足超高速、大寬帶、全球性、安全性、可靠性等衛星通信應用需求。BridgeSat公司已于2018年3月開設了位于美國科羅拉多州丹佛市的新網絡運行中心，將提供完全自動化的網絡控制和數據傳輸監控，還可執行全天候、多氣象條件的光學觀測任務。

2018年5月21日，BridgeSat公司與芬蘭對地觀測運營商ICEYE公司簽署協議，BridgeSat公司將向ICEYE公司提供緊湊型衛星激光通信終端和地面運維及網絡服務（圖1），此類緊湊型激光終端從低地球軌道（LEO）衛星下行鏈路傳輸速率可高達10Gbps，而終端質量卻不到2kg。BridgeSat公司通過天地綜合通信網絡為用戶提供各種服務，融合激光和射頻技術開展協同工作，向各類型用戶提供質美價廉的通信和數傳服務。

表1 全球典型衛星激光通信在軌試驗歷程

1.2 低軌寬帶星座激光通信鏈路

近年隨著低軌寬帶互聯網星座計劃的興起，為了滿足大容量、大帶寬、高速率的星間通信，部分星座計劃采用激光通信鏈路。根據已公開的資料顯示，美國的LeoSat星座將采用激光星間鏈路，建立一個空間激光骨干網；SpaceX公司的Starlink星座預計采用激光星間鏈路實現空間組網，達到網絡優化管理以及服務連續性的目標；加拿大的Telesat星座也計劃設置激光星間鏈路。本文將簡要介紹LeoSat星座的情況。

Leosat星座由108顆衛星組成（圖2），部署在1400公里的低地球軌道上。每顆衛星設置4條星間鏈路，其中與同軌道面的衛星建立2條星間鏈路，通信距離約為2700km；與異軌道面間的衛星建立2條動態星間鏈路。每顆衛星在四角分布設置4個激光通信終端，分別建立4條星間鏈路，全部使用衛星激光通信，每條鏈路通信速率可達10Gps，從而實現高速星間數據傳輸業務。LeoSat星座的衛星由法國TAS公司研制，將于2019年發射試驗衛星進行在軌技術驗證，從2021年開始進行星座部署并逐步完成全球組網。

可以說構建基于全激光通信的低軌衛星通信骨干網的難度巨大，是衛星通信技術發展的重大飛躍，將實現高質量、高速率的數據服務愿景。

1.3 NASA成功發射2顆OCSD衛星

2017年11月，NASA的兩個創新型1.5U立方體衛星成功發射，這兩個立方體衛星屬于NASA的“激光通信與傳感器演示”（OCSD）項目（圖3），此次任務主要驗證未來小型衛星的高速率激光數據傳輸技術，以及小衛星間的近距離操作能力。衛星的星地鏈路上行速率10kbps，下行速率可達5～200Mbps。OCSD后續還將進行一系列激光通信和交會對接試驗，將通信速率提高到2.5 Gbps。OCSD項目曾于2015年發射立方體衛星，但因衛星姿態控制系統問題，未能完成星上激光通信載荷的測試。

OCSD衛星的激光通信系統與其他衛星激光通信系統不同，最顯著的差異表現在它沒有瞄準、捕獲與跟蹤子系統，激光終端的光束指向調整需要依靠控制整個衛星的姿態來完成光束實現對準，這使得OCSD衛星的激光系統比以往激光系統都更為緊湊，但使得衛星自身的姿態控制技術成為衛星研制的關鍵難點之一。

1.4 LCRD項目進入集成與測試階段

NASA為提升衛星通信能力，已將激光中繼衛星納入到下一代通信導航架構之中，并計劃于2019年發起一個新的“激光通信中繼演示”（LCRD，圖4）項目，以突破深空激光通信技術及全球化組網技術。早在2013年，作為LCRD項目的先期預演，NASA成功驗證了從月球進行高速數據傳輸的激光通信試驗（LLCD），創下622 Mbps 的下載速率紀錄。

圖1 BridgeSat公司全球地面網絡規劃示意圖

圖2 Leosat星座組網及衛星在軌設想圖

2017年2月，NASA的LCRD衛星成功通過關鍵設計評審（CDR），并已于2018年開始進入集成與測試階段，預計將于2019年開始項目的新階段。LCRD衛星包含2路激光通信系統和1個超寬帶微波數傳系統。其中，1路激光通信系統供用戶使用，另1路激光通信系統作為接收干線與地面基站連接；為克服大氣云層對激光通信的干擾，設計了1個超寬帶微波數傳系統，作為星地激光接收干線的備份，確保星地數據傳輸能力。相應地，該項目須設置3個地面站點，即地面用戶激光站、接收干線激光站和高速微波地面站，其中接收干線激光站與高速微波地面站將建立可靠連接，確保數據高速穩定傳輸。MIT林肯實驗室將承研衛星激光通信系統。

LCRD項目將驗證激光與微波通信的數據中繼能力，計劃于2018年在兩個地面終端之間進行中繼數據試驗，于2019年進行從國際空間站（位于LEO）通過地球同步軌道（GEO）衛星上的LCRD終端完成數據中繼回傳試驗。地面站與GEO衛星上LCRD終端之間將支持用戶速率高達1.244Gbps的雙工通信，國際空間站到GEO衛星的上行數據速率達32Mbps。

圖3 OCSD-2（1.5U）衛星工作示意圖

LCRD項目的其他試驗還包括：測試可供位于不同地點的多個用戶使用的數據多路傳輸技術；測試數字視頻錄像的存儲/傳輸技術，將視頻類信息加以存儲并以較低數據率進行中繼傳輸；測試所有不同天氣條件和時間下的激光通信性能。

1.5 啟動激光增強型任務與導航服務項目

2017年4月，NASA啟動一項被稱為“激光增強型任務與導航服務”（LEMNOS）的計劃，旨在為執行深空任務的下一代“獵戶座”（Orion）宇宙飛船研發激光通信系統，能夠向宇航員提供最優的快速通信服務，使其與地面及時取得聯系。

NASA認為激光通信將徹底改變低地球軌道外飛船的數據回傳手段，將外層空間通信范圍進一步拓展，LEMNOS項目支持的數據傳輸速率將至少達到80Mbps。LEMNOS項目將于2021年獵戶座飛船飛躍月球期間進行首次測試，若任務進展順利，NASA將在后續任務中部署更多的激光通信終端，以支持飛船的空間探索任務。

1.6 DSOC項目激光終端技術成熟度達到6級

圖4 LCRD衛星在軌示意圖

圖5 DSOC項目在軌示意圖

LLCD項目的成功為NASA開展深空激光通信研究注入了新動力。2017年末，由NASA支持的、噴氣推進實驗室主導的深空激光通信（DSOC，圖5）項目正在開發關鍵技術，其激光終端的技術成熟度達到6級，這意味著它已經是一個功能完整的系統原型或具有代表性的模型。DSOC系統項目計劃于2023年正式啟動，它是NASA太空探索任務的重要組成部分，旨在研究激光通信對于深空任務中，數據速率、系統空間占用和功耗等指標能力改進。 按照計劃，DSOC項目將在2018-2019年進行地面測試，2023年搭載“普賽克”（Psyche）飛行器向一顆金屬小行星進發，開展深空激光通信技術驗證。

DSOC將以至少250Mbps的速率從火星回傳數據，通信距離達6.3億公里，質量預計為28kg，功率約76W，正在研制的地面光學天線口徑達12m。與LLCD相比，DSOC還需突破更多的關鍵技術，如千倍以上的傳輸距離、千瓦級地面發射功率、宇宙飛船終端光子計數探測器陣列、借助慣性穩定的波束指向、輕型航天器擾動隔離技術、高效率的星載激光發射機、下行光束較大提前瞄準角等。此外，NASA將在火星2020探測器上安裝小型激光通信終端，其質量小于6kg，功耗低于50W，發射孔徑5cm，探測器與火星軌道飛行器之間的通信速率為20Mbps，與地球地面站之間的通信速率為200kbps。

圖6 IROC衛星在軌示意圖

1.7 開展一體化射頻與激光通信研究

NASA格倫研究中心團隊正在開展“一體化射頻與激光通信”（IROC）概念研究，計劃向火星軌道發送一顆激光通信中繼衛星（圖6），用于接收遠距離航天器的數據并將數據中繼至地球。IROC系統將包含一個瞄準天體的 3 米射頻網格天線和一個 30厘米的光學望遠鏡，還可為Ka頻段和激光通信共享一個由軟件定義的集成調制解調器。IROC系統使用射頻和激光集成通信系統，既可為使用激光通信系統的新型航天器提供服務，也可為使用射頻通信系統的傳統航天器提供服務，將有效促進NASA所有空間資產間的互操作性。

2.歐洲重點推進激光通信系統商業化運營

歐空局（ESA）早期實施的“半導體激光星間鏈路試驗”（SILEX，20世紀80年代開始，2001-2006年在軌試驗）等項目，首次驗證LEO至GEO的星間通信。在發展SILEX計劃的同時，瑞士發展了高碼率、小型化、輕量化、低能耗的OPTEL工業化激光通信終端系列，德國完成了合成孔徑雷達衛星的高碼率多用途激光通信終端TSX-LCT，表明歐洲已經實現了高性能激光通信終端，在衛星激光通信領域，歐洲已完全領先于美國，處于國際領先地位并在可預見的將來保持這一地位。

圖7 EDRS星座結構圖示意圖

2008年底，歐空局決定在其“歐洲數據中繼系統”（EDRS，圖7）中應用激光通信終端，以促進衛星激光通信系統的研發和實施達到成熟階段，通過2顆地球靜止軌道（GEO）數據中繼衛星（EDRS-A和EDRS-C）為低軌道（LEO）的航天器與地面控制中心進行實時數據中繼，構建“太空數據高速路”，并以商業模式運營。“歐洲數據中繼系統”取得了一系列突破性進展，成為世界上首個商業化運營的高速率衛星激光通信系統。

激光數據通道由“太空數據高速路”在慕尼黑的任務操作中心控制，7×24小時運維服務。激光通信終端由Tesat-Spacecom和DLRGerman Space Administration開發。操作人員接收客戶的數據傳輸請求，制定衛星和地面設備的操作程序，并監控通信性能。

搭載“歐洲數據中繼系統” 首個激光通信中繼載荷EDRS-A的Eutelsat 9B衛星于2016年1月29日成功發射，可提供激光和Ka波段兩種雙向星間鏈路，星間激光傳輸速率可達到1.8 Gbps，星間最遠距離達到45000 km，并于2016年7月進入業務運行階段。EDRS-A載荷實現在軌服務是近年來歐洲航天技術快速發展的一個重要里程碑，第2顆衛星EDRS-C預計于2018年發射。

據ViaSatellite消息，在投入日常運營服務的近兩年時間里，EDRS-A衛星已成功完成萬次激光傳輸連接，可靠性達99.8%，傳輸數據已達500TB，目前“太空數據高速路”每天可傳輸40TB遙感衛星、無人機和飛機的數據。根據ViaSatellite的數據可以推算，在近兩年時間里EDRS-A衛星激光鏈路的累計使用時間約為77.2小時，即3.2天。

2017年3月7日，EDRS的用戶歐盟“哥白尼計劃”的“哨兵2B”衛星成功發射，該衛星用于地球觀測領域的數據圖像采集，回傳采用X波段和激光載荷，其中激光載荷傳送的數據通過EDRS-A中繼系統傳至地面。據ViaSatellite報道，除現在已經使用EDRS服務的哥白尼計劃外，未來將有其他更多客戶終端使用EDRS服務，例如：2019年該系統將服務于國際空間站的哥倫布模塊，2020年 Pleiades Neo衛星（Airbus的高分辨率光學遙感衛星，達到30cm分辨率）也將使用這項服務。

歐空局計劃在2020年將EDRS擴展成為全球覆蓋系統，形成以激光數據中繼衛星與載荷為骨干的天基信息網，實現衛星、空中平臺觀測數據的近實時傳輸，未來EDRS的主要市場將是無人機編隊的通信服務。EDRS不僅將滿足歐洲航天活動對空間數據傳輸速率、傳輸量和實時性日益增長的需求，更將使歐洲擺脫對非歐洲地面站的依賴，保持空間通信的戰略獨立性。

3.日本致力于激光通信終端小型化研究

日本已經完成的系列星地激光通信演示驗證（GOLD）項目取得了巨大的成功，工程試驗衛星（ETS-VI，1995-1996年試驗）計劃和光學在軌測試通信衛星（OICETS，2003/2006年試驗）計劃成功進行激光通信測試，實現了世界首次低軌衛星與地面站及移動光學地面站之間的激光通信試驗。

為保持衛星激光通信技術方面的優勢，日本向激光通信終端小型化、輕量化、低功耗方向發展。特別是通過“空間光通信研究先進技術衛星”計劃（SOCRATES）等，完成了SOTA的對地激光通信在軌測試，以構建全球光通信網絡，使飛機、衛星收集的高分辨率圖像數據可通過衛星激光通信鏈路下傳至地面。2014年，日本的“小型光學通信終端”（SOTA）發射并開展LEO衛星對地激光通信試驗，SOTA總質量僅為5.8kg，最遠通信距離達1000km，下行通信速率10Mbps。

圖8 日本激光數據中繼衛星計劃研制進度示意圖

2015年，日本公布了新版《宇宙基本計劃》，將“激光數據中繼衛星” 計劃（圖8）正式列入其中，并于同年正式啟動該項目。日本激光數據中繼衛星計劃于2019年發射，將當前數據中繼系統的微波鏈路替換為激光鏈路，通過激光實現先進光學衛星等新一代高分辨率對地觀測衛星的數據回傳，屆時將使日本獲得更高速的實時觀測能力。

目前，日本激光數據中繼衛星全面開展正樣研制工作。衛星采用三菱電機公司的DS-2000平臺，激光波長1064nm，采用DPSK相干調制解調模式，LEO終端重量35kg，光學孔徑100mm，GEO終端重量50kg，光學孔徑200mm，平均功耗100W，預設通信速率達2.5 Gbps。

4.總結

衛星激光通信技術的數據傳輸速率比微波通信提高百倍，將滿足對空間數據傳輸速率、傳輸量和實時性等日益增長的需求，有望成為未來空間通信的主要形式。而且衛星激光通信因其光束方向性強、高頻率和高帶寬等因素，可實現安全高速通信。

回顧近兩年國外衛星激光通信技術的發展狀況可知，目前就整體水平而言，衛星激光通信技術仍處于研究階段，尚面臨諸多技術挑戰，但隨著衛星激光通信技術的持續發展和不斷突破，對增強空間信息傳輸的實時性、安全性、實用性以及未來深空探測等領域具有重大意義，并有力地促進未來空間通信技術的發展和變革。