空間激光通信標準建設研究

陳誠 宋雪舟 范丹丹 孫潔

（1 北京空間科技信息研究所 2 中國人民解放軍32039部隊）

隨著我國空間技術的快速發展和產業規模的快速增長，標準作為技術法規將在其中發揮越來越重要的作用。為探索研究我國空間激光通信標準建設思路，對空間激光通信標準建設進行需求分析，提出對我國空間激光通信標準的規劃設計，能為我國空間激光通信技術發展與標準建設提供借鑒與參考。

1 引言

隨著空間應用的不斷拓展，航天任務對信息傳輸帶寬的需求越來越高。無論是近地還是深空，傳統的微波通信都已基本達到技術極限。此外，由于航天任務逐年增多，微波頻譜資源也日益緊張。而空間激光通信具有頻帶寬、容量大、終端體積小、質量輕、功耗低等優點，是應對各類航天任務高速率、大容量通信需求的最佳途徑，因而成為近年來航天領域廣受關注的熱點。現階段，我國正在開展空間激光通信領域的預研工作，部分技術已通過在軌試驗得到驗證，具備一定的技術基礎。同時，空間激光通信在導航、寬帶通信、數據中繼等領域的工程需求也相對明確。目前，我國還沒有開展該領域的標準化工作，與國外相比存在較大差距。本文將在分析該領域標準需求的基礎上，結合我國系統建設的實際需求，提出我國如何開展該領域標準研究工作的構想。

2 標準需求分析

大氣觀測與應用

空間激光通信本質是以光作為媒介的通信手段，適用于星地通信和星間通信。對于星間通信而言，光只在真空環境中傳輸，因此具有很好的傳輸特性。對于星地通信而言，光需要穿過大氣層，期間要受到空氣、云霧等因素的影響，會在傳輸過程中產生較大的損耗。由于星地通信受天氣影響較大，因此需要在全球范圍內建立地面站網絡，通過合理布局保證始終有地面站處于“可見”狀態，能持續進行星地間的數據交互。

大氣參數觀測與分析是空間激光通信領域重要的基礎性研究工作，貫穿了空間激光通信系統研制和應用，是系統建設過程中進行站址選擇和通信鏈路預算，以及在軌應用過程中進行網絡管理和實時信道切換等工作的前提條件。需要通過標準確定大氣傳輸模型，統一大氣特征參數的測量方法和信道傳輸條件的預測方法，明確天氣條件的判據，以指導和規范各項工作的開展。

通信協議

通信協議即通信實體之間完成信息交換所必須遵循的規則和約定，是實現通信的基礎。通信協議標準是空間激光通信的頂層標準，是后續確定工程技術方案、開展終端產品研制的依據，使用空間激光通信技術開展航天任務，首先需要確定統一的通信協議。

空間通信采用了開放系統互聯參考模型（OSI）提出的分層思想，分為物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層及應用層。其中，網絡層、傳輸層、應用層主要針對數據的交互和操作，對于各種通信方式具有通用性。空間激光通信作為一種全新的通信方式，其特殊性主要體現在物理層和數據鏈路層，涉及激光波長、捕獲跟蹤、極化、調制、同步、信道編碼等方面的技術要求。

空間通信協議模型

目前，空間激光通信針對不同應用場景設計了高光子效率體制（HPE）、低復雜度體制（LC）以及高數據速率體制（HDR）三種技術體制。其中，高光子效率體制主要用于深空探測領域，即具有超長通信距離、功率嚴重受限的應用場景。低復雜度體制以低軌衛星直接對地數據傳輸作為主要應用場景，同時也適用于星間通信。高數據速率體制主要用于基于地球同步軌道（GEO）衛星的星間鏈路和星地鏈路，是目前應用場景最廣泛、最具市場前景的技術體制。由于前期技術路線選擇的原因，歐洲航天局（ESA）和美國國家航空航天局（NASA）分別提出了基于1064nm波長的相干二進制相移鍵控（BPSK）調制體制，以及基于1550nm波長的非相干差分相移鍵控（DPSK）調制體制等兩種互不兼容的提案。我國也將主要精力聚焦在高數據速率體制上，并通過海洋二號、實踐十三號、北斗三號等衛星對兩種技術方案進行了在軌驗證。目前，已基本確定技術方案及相關技術要求，因此需要通過標準確定空間激光通信的通信協議，建立統一的技術體制，以指導后續工程研制工作的開展，這也是我國目前亟待解決的問題。

工程建設

空間激光通信與傳統的微波通信在系統實現層面存在較大差異。在引入空間激光通信后，現有的工程建設方案將不能完全適用，未來將在確定的技術體制下，從系統總體層面針對這一全新的通信技術手段進行各大系統之間的接口協調，以及整個系統的設計和驗證工作。為有效指導和規范未來工程建設工作的開展，一方面需要針對衛星與衛星之間、衛星與地面站之間、地面站與地面站之間的接口開展系統接口標準研究，另一方面需要針對星地鏈路預算、星間鏈路搭建、衛星組網、地面站站址選擇和組網等內容開展系統設計標準研究，同時還需要針對地面站網聯試、激光通信終端地面對接試驗、衛星在軌測試、衛星組網驗證等內容開展系統測試標準研究。

產品

實現空間激光通信的實體是激光通信終端，是一種極其復雜的產品，根據工作環境和裝載平臺的不同，可分為星載激光通信終端和地面激光通信終端。其核心功能包括：高功率光源、高碼率調制解調、光束準直整形、光信號探測接收、捕獲跟蹤等。

激光通信終端由多臺單機設備組成，由于設計理念不同，不同廠商研制的激光通信終端在模塊劃分上可能存在較大差異。為了避免出現產品規格多樣、重復研制等問題，需要運用裝備“三化”（通用化、系列化、組合化）的理念和方法進行產品型譜規劃。同時，還需要針對型譜簡表中梳理出的產品種類和規格開展進一步的產品標準研究，以規范產品研制。

產品標準針對各類激光通信終端及其組成的單機設備，包括星上產品和地面產品，主要用于指導工程總體和用戶進行產品采購和驗收。因此，產品標準的規劃需要反映各級產品的“三化”發展規劃，并體現星上產品和地面產品在性能指標、對外接口、環境適應性等方面的差異。開展產品標準研究需要系統梳理未來多種型號對每一類激光終端的數量需求、性能指標要求，針對激光通信終端建立系列基線，形成配置方案。同時，還需要針對單機設備進行產品特征參數選取、產品規格優化等方面的研究，建立產品結構樹，開展對應的型譜規劃，針對每一型單機設備制定具體的產品規范類標準。

在軌應用

衛星在軌交付后，如何更好地使用衛星也是需要重點關注的問題。衛星在軌運行過程中，一方面受衛星軌道周期性、姿軌控誤差等因素的影響，另一方面受設備裝配精度、熱形變等因素的影響，星載激光通信終端的指向會發生一定程度的變化。空間激光通信對于指向精度要求極高，上述誤差將嚴重影響星載激光通信終端之間的捕獲與跟蹤，造成系統性能的下降，需要定期對星載激光通信終端的指向進行校準，確保系統工作的連續性和穩定性。指向精度的標定和校準（以下簡稱“標校”）作為衛星在軌使用過程中的一項重要工作，需要規劃標準指導具體工作的開展。

另外，鏈路建立是中繼衛星系統工作過程中的一個重要環節。相比于微波通信，激光通信的波束更窄、對指向精度要求更高，鏈路建立的過程更復雜，建鏈時間也更長。空間激光通信涉及星地鏈路和星間鏈路兩種鏈路，兩種鏈路的應用場景和約束條件差異較大。其中，星間鏈路需要考慮衛星之間的相對運動，進行長期動態跟蹤；星地鏈路需要考慮星地的實時信道條件，進行星地鏈路的動態切換。這對衛星的任務規劃和操縱控制提出了較高的要求，需要規劃標準指導具體工作的開展。

3 標準規劃設計思考

通過對空間激光通信標準需求的分析，同時結合該領域國外標準研究情況，提出了我國空間激光通信標準體系的基本框架，包括大氣觀測與應用標準、通信協議標準、工程建設標準、產品標準、在軌應用標準五個模塊。

大氣觀測與應用標準

大氣觀測與應用標準屬于通用技術標準。大氣參數觀測與分析是空間激光通信領域重要的基礎性研究工作，只有建立起大氣通用傳輸模型標準，統一大氣特征參數的測量方法、信道傳輸標準，才能保證空間激光通信高效運行。

空間激光通信標準體系框架

1) 通用傳輸模型標準：廣泛開展國際合作，充分借鑒國際通用的傳輸模型，如國際空間數據系統咨詢委員會（CCSDS）的空間數據傳輸模型，使不同研制單位的傳輸模型互聯互通互操作。

譬如，新華社曾經報道，中國電力科學研究院原黨組書記、副院長鄧永輝，利用此前擔任國網青海省電力公司總經理、黨委副書記及國家電網公司生產技術部（運維檢修部）主任的職務之便，先后收受3家公司價值456萬余元的財物，被法院以受賄罪判處有期徒刑10年。

2) 大氣特征參數的測量方法標準：對影響激光信號在星地之間傳輸的大氣特征參數及其影響程度進行經驗總結，固化已有經驗，形成可復制、可推廣的測量方法標準。

3) 大氣信道傳輸標準：對大氣特征參數的測量數據如何開展信道條件預測、信道條件預測結果如何開展實時信道切換進行經驗總結，固化已有經驗，形成可復制、可推廣的信道傳輸標準。

通信協議標準

通信協議標準屬于頂層標準。空間激光通信領域的通信協議具有特殊性，需重點規劃物理層和數據鏈路層的通信協議標準。

1) 物理層通信協議標準：綜合考慮不同應用場景在通信距離、通信速率、通信鏈路等方面的差異，對物理層所涉及通信波長、通道特性、捕獲跟蹤、調制解調等方面的技術要求，數據鏈路層所涉及的各類信道編碼及其參數設置的要求等進行規定，規劃物理層通信協議標準。

2)數據鏈路層通信協議標準：綜合考慮不同應用場景在通信距離、通信速率、通信鏈路等方面的差異，對物理層所涉及通信波長、通道特性、捕獲跟蹤、調制解調等方面的技術要求，數據鏈路層所涉及的各類信道編碼及其參數設置的要求等進行規定，規劃數據鏈路層通信協議標準。

工程建設標準

工程建設標準屬于具體實施標準，標準規劃基于4點要求。

2) 地面站建設標準：對如何開展空間激光通信地面站的設計工作進行規定，包括外界約束條件、站址選擇要求和流程、地面站升級改造接口等內容。建設標準達到地面站一站多用，減低生產成本，避免重復建設。

3) 鏈路試驗方法標準：對星載激光通信終端和地面站的入網驗證試驗方法進行規定，包括新建地面站與在軌星載激光通信終端之間的對接試驗、星載激光通信終端發射前與在軌星載激光通信終端之間的對接試驗、星載激光通信終端發射前與地面站之間的對接試驗等三類試驗。

4) 在軌應用標準：對星載激光通信終端的在軌測試方法進行規定，包括星間鏈路測試和星地鏈路測試兩類測試。

產品標準

產品標準屬于具體實施標準，標準規劃基于星載終端產品和地面終端產品。

1) 星載終端產品標準：綜合考慮不同的任務要求，統一規劃終端產品的種類，建立星載終端產品的型譜化產品，滿足多種應用場景。分別對應用場景星載激光通信終端的技術要求及其對應的檢驗方法作出規定，技術要求包括終端產品本身工作波長、捕獲概率、捕獲時間、接收靈敏度、調制方式、信息速率、誤碼率等，也包括對外接口、環境適應性、電磁兼容性、可靠性、安全性等與在軌工作環境密切相關的技術要求。

2) 地面終端產品標準：綜合考慮不同的任務要求，統一規劃終端產品的種類，建立地面終端產品的型譜化產品，滿足多種應用場景。與星載終端相對應，分別對應用場景地面激光通信終端的技術要求及其對應的檢驗方法作出規定。

在軌應用標準

在軌應用標準屬于具體實施標準。標準規劃基于激光通信的“能收到、很好用”的原則。

1) 星間鏈路通信處理方法標準：對衛星之間的激光通信鏈路建立所涉及的組織機構、操作實施等內容進行規定，包括低軌衛星之間、高軌衛星之間、高軌衛星與低軌衛星之間三種場景。

2) 星地鏈路通信處理方法標準：對衛星與地面站之間的激光通信鏈路建立所涉及的組織機構、操作實施等內容進行規定，包括低軌衛星和高軌衛星兩種場景。

3) 激光通信終端在軌處理方法標準：對星載激光通信終端和地面激光通信終端在軌標校的時機、條件、標校系統、標校實施流程，以及標校所涉及的具體操作、數據處理等內容進行規定，包括地面標校和星上自標校兩種實現方式。

4 結束語

標準體系的規劃和建設是一項復雜的系統工程，需要考慮型號研制的實際情況、工程應用的需求以及技術發展的趨勢；同時標準體系的規劃和建設還是一個逐步完善的過程，需要根據新技術、新產品、新需求的出現對標準體系進行修訂和優化。開展空間激光通信標準研究并制定一套完整的標準，一方面可以通過標準建立行業準入門檻，從而規范行業的發展；另一方面還能通過標準推動空間激光通信終端的產品“三化”，從而縮短產品的研制周期，使得企業可以把更多的經費和精力放在技術的創新上。此外，空間激光通信作為連接星地、星間的重要技術手段，技術體制和接口的標準化也同樣有利于規范空間激光通信終端自身的研制。