深空探測光通信技術途經分析與展望

白帆 李炯卉 徐寶碧 韓宇

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

開展深空探測活動是衡量一個國家綜合國力和科學技術發展水平的重要標志，是帶動空間技術、空間科學和空間應用發展的有效途徑。作為深空探測器與地球之間保持聯系的唯一紐帶，測控通信系統具有不可或缺的地位。

目前，以美國為首的航天強國以高速數據傳輸需求為牽引，實現了從S/X頻段的第一代測控通信體制向X/Ka頻段的第二代測控通信體制的轉變，同時，正逐步向以光通信、太赫茲等高頻段技術為核心的第三代測控通信體制邁進[1]。

空間光通信技術憑借其高帶寬以及無頻譜約束等特點成為緩解深空探測器資源緊張、實現超遠距離大容量數據傳輸的有效手段。近20年，美國將激光通信技術作為航天領域重點發展方向，開展了包括高精度捕獲、瞄準、跟蹤(APT)、高功率激光發射器、高靈敏度光電探測器、地基小口徑光學天線陣列等諸多關鍵技術的攻關工作[1]。2013年，NASA成功完成地月激光通信演示(LLCD)工作，驗證了地月雙向激光通信、測距的可行性[2]。同時，歐洲、日本以及中國等國家和地區在衛星激光通信領域也已完成多項在軌試驗任務，并逐步進入規模化建設和實用階段[3-5]。

未來，隨著深空探測任務的不斷深入與探測技術的不斷提高，利用激光通信技術提高深空數據回傳能力逐漸提上了日程。本文對國內外深空測控通信技術及空間激光通信技術的發展狀況進行了介紹。在對我國今后深空光通信發展需求分析的基礎上，對關鍵技術及其實現途徑進行了分析。結合我國后續深空發展規劃，提出適合我國國情的深空光通信發展設想。

1 深空測控通信技術發展現狀

從技術發展角度看，國外深空測控通信領域重點對信號調制與編碼、大口徑高增益天線、高效率功率放大器、基于軟件無線電技術的數字應答機與深空光通信等方面開展了富有成效的工作。圖1為深空測控通信關鍵技術發展路線圖[6]。

注：MRO為火星勘測軌道器；STRS為空間通信射頻系統；UST為統一空間應答機；LRO為月球勘測軌道器；SSPA為固態放大器；DS-1為深空一號；TWTA為行波管放大器；Calileo為伽利略號；Voyager為旅行者號；Casini為卡西尼號；OQPSK為偏移正交相移鍵控；MPSK為絕對相位調制；GMSK為高斯濾波最小頻移鍵控；BPSK為二進制相移鍵控；QPSK為四相相移鍵控；PCM為脈沖編碼調制；PSK為相移鍵控；PM為相位調制；Turbo為并行級聯卷積碼；RS為里德-所羅門碼；LDPC為低密度奇偶校驗碼。

對于空間激光通信技術，美國NASA在LLCD任務成功的基礎上，于2021年12月，隨空間測試計劃衛星(STPSat-6)發射的激光通信中繼演示(LCRD)系統成為世界第一個具備雙通信體制的衛星光通信中繼系統，該系統后續將與地面光學站以及“國際空間站”(ISS)所搭載的集成LCRD近地軌道用戶調制解調器和放大終端(ILLUMA-T)開展星地/星間雙向高速通信試驗。同時，LCRD系統還被作為美國下一代跟蹤和數據中繼衛星系統計劃和未來深空光中繼通信技術的測試平臺，將驗證包括光信號編碼、激光測距、鏈路層與網絡層協議在內的諸多關鍵技術[7]。

另外，美國增強型激光任務通信導航與操作業務(LEMNOS)項目還計劃在2023年發射搭載于載人探測器獵戶座(EM-2)的光通信終端(O2O)，開展載人探測器月地激光通信試驗[8]；2025年，依托激光通信近地衛星系統(LOCNESS)中繼節點實施下一代衛星激光通信網絡，實現以地球為中心，連接近地、高軌、月球和日地L2點的超大星際光通信網絡[7]。

與國外各航天大國相比，我國深空測控通信技術伴隨著各項任務的順利實施得到了逐步發展：嫦娥系列探測任務實現了S頻段及X頻段統一載波測控體制的在軌應用；天問一號火星探測器實現了數字化深空應答機和大口徑天線等關鍵技術的突破；同時，以高靈敏度光子探測器、高光子效率調制與編碼、高功率激光發射器等為核心的遠距離空間激光通信技術也相繼實現突破。表1為我國與美國空間激光通信技術發展情況比較。

表1 國內外空間激光通信系統性能比較

此外，在空間光通信標準化工作方面，以空間數據系統咨詢委員會(CCSDS)、國際電信聯盟(ITU)等為代表的國際標準化組織對衛星光通信領域的標準化研究最為深入。其中，CCSDS SLS-OPT工作組針對大氣環境、光信號物理層和鏈路子層編碼方面制訂并發布了3份推薦性標準[9-11]。目前，國內相關國家標準也在制訂當中。

2 深空光通信需求分析

隨著探月工程三期和首次火星探測任務的圓滿成功，我國后續還將逐步開展探月工程四期、小行星探測、火星采樣返回、木星及行星際穿越探測、載人探月等任務(見表2)。

表2 深空光通信需求分析

2021年6月，中俄聯合發布了《國際月球科研站路線圖(V1.0)》和《國際月球科研站合作伙伴指南(V1.0)》[12]，提出了月球科研站“勘、建、用”3個工程階段的任務路線規劃。根據規劃內容，后續月球無人探測任務均為多器組合體，同時在軌的月面探測器初步方案可達11個。若考慮后續載人探月任務，同時在軌工作的通信節點(探測器和艙外宇航員)數量將會更多。因此，為滿足多個月球探測器數據的高速對地轉發以及大規模用戶接入，對中繼星通信轉發鏈路吉比特量級碼速率的數據傳輸需求愈發強烈。

此外，小行星防御、火星采樣返回、載人深空探測等任務將要開展的對目標天體詳細勘察或表面巡視工作，高空間分辨率、高光譜分辨率和高時間分辨率的探測儀器將被廣泛使用。探測儀器所感知、獲取的大容量數據對地高速回傳能力，也將直接影響我國高精度科學探測的進一步發展。

3 深空光通信技術途徑分析

深空光通信實現的主要技術途徑包括深空捕跟瞄技術及策略、高光子效率信號編碼與調制技術、地面弱光子信號接收技術；同時，對于后續星際高速通信網絡建設，容延時網絡(DTN)、波長與路由選擇技術、宇航級光學放大器等也是重要的發展領域。

3.1 深空高效高穩定APT技術

對于深空光通信鏈路建立，傳統光學地面站提供的上行可合作信標光信號衰減嚴重，難以保證足夠高的跟蹤速率。以地球或其附近的自然天體圖像作為參考信標的方案不僅可以提供足夠高的跟蹤速率，還可以保持探測器光通信終端相對于上行鏈路的獨立性，因此是一種較為理想的方案。圖2為深空光通信瞄準、捕獲與跟蹤工作原理圖[13]。

圖2 深空光束瞄準、捕獲、跟蹤原理示意圖

然而，采用自然天體信標作為深空光通信鏈路建立與穩定跟蹤方案的主要挑戰包括：缺少地面站的誤差反饋信息這一天地“開環”工作機制下，鏈路建立和運行過程中信標圖像位置的精確計算；探測器平臺疊加寬譜高頻振動與低頻擾動影響；高靈敏度、高帶寬的光電探測器工程化實現。

目前，解決上述技術難點的有效途徑包括：①以大規模集成電路以及現場可編程門陣列(FPGA)硬件技術為基礎，提供快速、精準的信標圖像中心位置計算處理功能；②以高精度、高分辨率星敏感器技術為基礎提供絕對參考信息，配合相對位置信息和地面導航系統所提供的航天器與目標的位置信息來輔助APT全過程；③采用不依賴于分光的磁流體動力慣導自穩跟蹤抑制平臺中高頻振動，降低對高帶寬、高靈敏度的光電探測器使用需求，大幅度提升探測靈敏度及鏈路可通性。

3.2 高光子效率(HPE)信號調制與編碼技術

光學鏈路將信號功率傳送到接收機的能力通常受傳輸介質、偏振模式不匹配、接收機瞄準損失及收/發光學系統效率等因素影響。提高深空光信號高效傳輸的核心問題是對信道衰減的有效補償，其主要工作集中在光信號物理層與鏈路層相關領域的方案設計。

未來，隨著高速數字信號處理器(DSP)和FPGA的發展，很容易搭建基于DSP處理器和FPGA調制解調系統，從而用軟件編程來實現高性能的調制發射和接收。2019年，CCSDS SLS發布的鏈路子層同步與編碼推薦標準中提出了基于串行級聯脈沖位置調制(SCPPM)技術針對遠距、弱光子鏈路編碼方案[10]，其發射端工作機制如圖3所示。

圖3 深空光通信信道編碼機制

3.3 地面高效信號接收技術

對于超遠距離光信號傳輸與接收，信號光束不僅受到自由空間傳播損耗，還會受到大氣湍流的影響，主要表現在光束漂移、光束擴展、光強閃爍等方面，導致通信系統誤碼率增加，通信鏈路質量下降。目前，地面光學站抑制大氣影響的方法主要包括小口徑光學陣列天線(空間分集)與自適應光學技術。

對于光學陣列天線信號接收方案，用Log-normal函數表征大氣弱湍流模型，n個接收單元的光信號隨機強度可表示為

(1)

式中：Ii為第i個光學天線單元的瞬時接收光強度；Ii0為第i個光學天線單元的平均接收光強度；[.]T為矩陣的轉置；Cx為幅度對數的協方差矩陣，表示為

(2)

(3)

式中：dij為第i個光學天線單元與第j個光學望遠鏡單元的中心距離；D為單個光學天線接收單元的口徑；BI,ij(.)為考慮中心距離與接收單元口徑因素影響下，第i個光學天線單元的接收光強度對數與第j個光學天線單元的接收光強度對數的協方差函數。基于上述理論模型，考慮等效面積因素，光學陣列天線在弱大氣湍流影響下的光信號接收能力數值仿真結果如圖4所示。

圖4 空間分集接收性能曲線示意圖

3.4 深空光通信中繼與組網技術

不同于地面傳統網絡，未來由深空探測器、空間站、近地衛星與天基中繼通信節點組成的星際通信網絡是一種高時延、高異構性、通斷頻繁的斷續連接網絡，基于TCP/IP協議棧的地面互聯網體系并不適用。DTN是一種具備高時延容忍網絡結構、異構端互聯互通、自主路由協議與網絡節點搭載大容量存儲設備的網絡體系。在應對高時延問題方面，網絡體系結構在開放系統互連(OSI)模型下5層之上增加了一種被稱為捆綁協議(BP)的覆蓋網絡協議，實現高時延情況下端到端傳輸的監督重傳、處理間歇連接、綁定覆蓋網絡端點標識符、創建網絡地址等[14]。

在星際通信網絡建設方案中，骨干鏈路采用激光作為物理層設計的首選。當前，衛星光網絡設計方案大多基于單波長星間鏈路和星上電子交換技術來實現，采用網絡間互聯協議/異步傳輸模式/同步數字體系(IP/ATM/SDH)作為網絡協議架構，星上數據處理過程過于復雜。路由判定則是由星載處理器根據包頭檢測和查找動態路由表來完成，而動態路由表則主要反映了衛星地理位置變化、星間鏈路狀態變化和星上處理器狀態變化等，網絡中間節點衛星需要對經過的數據包進行復雜的路由交換處理，結果造成數據傳輸延遲和抖動。

地面成熟的波分復用(WDM)技術是解決上述問題的有效方案之一[15]。星上配置地面較為成熟的光器件，星間建立多波長通道，采用優化的波長路由技術進行路徑選擇，最終形成星上透明光轉發、傳輸機制。利用波分復用和波長路由技術構建的星際通信網絡，信息交換和處理以波長作為顆粒度在光域進行，簡化路由策略，提高星載資源利用率，極大減少中間節點處理和時延。

4 深空光通信技術發展設想

基于上述調研結果與分析，結合國際上空間光通信技術發展路線，初步提出我國深空光通信技術的發展設想如下。

第一階段：綜合發展射頻通信、激光通信和空間網絡通信的系統能力。突破抗輻照星載單光子檢測技術，充分發揮地面大口徑光學天線系統的高接收增益和功率資源充足的優勢，實現月地激光1～2 Gbit/s通信速率，為后續建立月地、火地高速中繼網絡提供高速鏈路基礎，服務后續載人登月任務近實時對地通信。

第二階段：突破宇航級EDFA和WDM技術，實現基于軟件無線電技術的射頻/激光混合通信系統在軌應用，火地通信速率可達100～200 Mbit/s。同時，采用高效路由協議和以大容量激光作為骨干鏈路的星際通信網絡形成一定的規模和能力。

第三階段：實現100 A.U.超遠距離兆比特量級的通信能力。激光中繼網絡關鍵技術得到成熟應用和驗證，基本建成行星際通信網絡，實現月表組網、火星表面組網與深空空間網絡的互聯互通。

5 結束語

深空探測能力在很大程度上代表了一個國家航天的綜合實力，而測控通信能力的強弱將直接影響深空探測的范圍及探測能力。本文通過對國內外深空測控通信技術發展現狀的分析，給出發展深空光通信技術的需求和途徑分析，并提出對我國光通信技術在未來深空探測任務中的應用和發展的設想，為我國空間通信網絡體系頂層規劃，建設高效化、網絡化深空光通信系統提供參考。