基于空基平臺的激光通信技術研究和展望

張金剛，周廣銘，張大銘，于思源,李 博,馬 晶,譚立英

(1.北京宇航系統工程研究所，北京 100076；2.哈爾濱工業大學航天學院，哈爾濱 150001)

0 引言

我國在信息通信網絡研究和建設中取得了巨大的進步，特別是5G的發展與建設已經走在世界前列。在國家發展戰略中，天地一體化網絡是我國正在建設的信息化重要基礎設施，在保障和拓展國家利益、維護國家安全、促進國民經濟發展、提高我國國際影響力等方面具有重大意義。天地一體化網絡重大項目能夠有效解決我國信息網絡建設整體不平衡的問題，為各類用戶提供“隨遇接入，安全可信”的服務。在天地一體化網絡建設中，基于空基平臺的通信網絡建設是實現應用落地、國防通信能力提升的關鍵環節。

空基平臺包括飛機、無人機和飛艇等在天空中運動的平臺?？栈す馔ㄐ啪哂歇毺氐膬瀯?，通信建立的機動性更強或者在移動通信網絡的建立中可當作轉接站。同時，激光通信相比于微波通信，具有良好的抗電磁干擾特性和高保密性，同時還可以提供新的較寬的通信頻帶。另外，激光通信還具有通信速率高、通信容量大以及功耗低等優點，非常適合用于空基平臺。目前，各國都重視對空基平臺激光通信的研究，特別是對其中機載激光通信系統的研究。美國在激光器發明之初就對激光通信進行研究，在21世紀初歐洲與日本也進行激光通信的研究。

在空基激光通信應用的背景下，本文首先概述了空基激光通信網絡結構，然后闡述了國內外空基激光通信研究進展，在此基礎上對空基激光通信技術所面臨的問題和未來發展趨勢進行分析和總結。

1 空基激光通信網絡結構和應用

空基激光通信技術發展和應用的主要目標是實現全球范圍內覆蓋的數據通信鏈路網絡，并和地面現有的網絡連接，以便及時反饋和利用空間激光通信傳輸數據?？臻g激光通信鏈路技術從最初的點對點通信朝向激光通信網絡方向發展。天地一體化網絡示意圖如圖1所示。從圖1中可以看到，空基平臺激光通信是天地一體化網絡建設中的重要組成部分。空基激光通信鏈路依據通信對象所在位置的不同分成3類：空基平臺-衛星平臺通信鏈路、空基平臺-空基平臺通信鏈路、空基平臺-地面通信鏈路。圍繞空基平臺可以展開空-空、空-星、空-地、空-船等鏈路通信。

圖1 天地一體化網絡示意圖及拓撲結構[2-3]Fig.1 Integrated network of space and earth[2-3]

空基激光通信網絡在軍用和民用上將有重要應用?，F有的國內外軍事網絡體系中，主要以微波、電纜和光纖作為寬帶寬通信的基本保障，而在偏遠地區作戰時，需要在沒有地面有線網絡設施的條件下，提供和光纖通信容量相當的機動數據傳輸能力，或在強電磁干擾環境下實現高可靠通信，這時激光通信技術就顯現出了無可替代的優勢。因此，很多國家在激光通信的研究中投入大量資金、人力以及技術支持，期望能夠在現代信息化戰爭中占據先機，提高信息化戰斗能力，提升國家的國際地位。同時，在近幾場高科技局部戰爭中，無人機在偵察、搜索、欺騙、干擾、定點清除等方面的突出表現令全世界對其潛在的軍事價值有了更深刻的認識，以無人機為節點的激光通信鏈路已經成為研究熱點?？栈す馔ㄐ旁诿裼梅矫嫱瑯泳哂芯薮蟮臐摿?。在部分大型民航客機飛行中，乘客依舊不能使用手機等移動通信設備進行通信。原因一是乘客的手機信號會干擾到飛機與航站樓之間的通信，影響飛機飛行安全；原因二是機載的微波通信無法滿足乘客通信速率的需求。在民航飛機上裝載激光通信終端可以解決以上兩個問題。

空基激光通信系統由3個部分組成，分別是空間光收發單元、光束捕跟單元以及通信信號處理單元。空間光收發單元負責發射和接收在空間傳輸的信標光及信號光；光束捕跟單元利用粗精跟蹤控制組件進行信標光指向、捕獲和跟蹤，以建立穩定的激光鏈路；通信信號處理單元負責激光信號的編解碼、調制、解調和儲存。

2 國內外空基激光通信研究試驗進展

我國從20世紀90年代開始了激光通信的研究，前期主要研究衛星激光通信技術，近年來逐漸向空基、地基等方向的激光通信技術發展。長春理工大學側重于機載激光通信，開展了多項外場試驗，實現了飛機間百千米距離的1 Gbit/s激光通信；武漢大學和中電34所主要研究地面點對點激光通信，實現了地面數千米至數十千米間的高速激光通信。

美國一些研究機構在激光器發明不久之后就針對激光通信技術展開了各類研究，其中美國的空軍研究實驗室(AFRL)從20世紀70年代開始就對激光通信技術在機載平臺上的應用開展了研究。國外空基激光通信的主要研究試驗情況如表1所示。

表1 國外一些重要的空基激光通信試驗Tab.1 Foreign experiments of air-based laser communication

1980年，美國AFRL在白沙靶場搭載KC-135飛機進行了試驗，第一次成功演示了機載對地激光通信系統。通過脈沖間隔調制(PIM)，實現了20 kbit/s信標通信，平均誤碼率小于10，20 km距離試驗測量誤碼率在10～10之間。

1984年，美國軍方資助的HAVELACE項目實現了相距160 km的兩架KC-135A飛機之間的激光通信試驗，獲得了通信速率為19.2 kbit/s、誤碼率優于10的試驗結果。該試驗采用手動執行捕獲，導致兩個移動飛行平臺之間的初始捕獲異常困難，但是一旦捕獲成功，鏈路便保持穩定跟蹤。

1995年，在AFRL支持下，Thermo Trex公司研發了新一代機載激光通信系統RILC。在1996年成功進行了飛機對地面站間20～30 km的激光通信試驗，通信傳輸速率1 Gbit/s，突破了空地激光通信關鍵技術。

1998年，Thermo Trex公司又實現了空基平臺間50～500 km距離、1 Gbit/s激光通信試驗，突破了空空平臺間激光通信關鍵技術。然而，由于管理及技術原因，研發遇到問題而陷入停滯，只是在2004～2005年之間進行了部分試驗，2005年該項目便終止了。

1998年，美國海軍實驗室在也開始光通信技術的研究，其制作的貓眼型調制反射鏡MRR可以實現與其制作的雙模光學詢問器(DMOI)進行7 km距離、45 Mbit/s的單向通信。2012年開始開發微型DMOI模塊安裝在無人機上，該模塊可以與地面進行25 km、155 Mbit/s的通信，還可以與MRR進行1 km、2 Mbit/s的通信。該項試驗驗證了單端捕跟控制實現低速激光通信的可行性。

2003年，AFRL開始了一個全新的項目ESTER。這個項目的目標是盡量利用商用技術和貨架產品來研發機載激光通信端機。這個項目的端機被稱為FALCON。在2011年完成了飛機對飛機激光鏈路通信試驗，通信速率2.5 Gbit/s，通信距離 94～132 km。

2003年，美國NASA下屬的JPL 實驗室研制的第二代OCD系統進行了空對地激光通信鏈路APT演示驗證試驗。系統主要技術指標為：高空無人機的飛行高度為18～23 km，跟蹤精度18 μrad，通信速率實現2.5 Gbit/s，通信波長1 550 nm。該項試驗驗證了無人機平臺下的小型化激光通信終端鏈路能力。

2003年，歐洲也積極研究空基激光通信，歐洲空間局(ESA)開展了CAPANINA項目。在2005年的氣球試驗中第一次從高度20 km的平流層向遠處距離64.3 km的地面發送1.25 Gbit/s的數據，誤碼率低于10。該項試驗對球載平臺在大風干擾下的鏈路性能變化進行了評估。

2006年，美國AOptix公司將自適應光學引入激光通信，開展自由空間光學試驗網絡試驗(FOENEX)項目，目標是使用帶有自適應光學(AO)系統的10 cm口徑天線進行50 km空-地和200 km空-空激光通信組網試驗研究。2009年，完成了安裝在P68式飛機和LCT-5地面站之前多頻道數據2.5 Gbit/s的通信。但在2012年的最終試驗中，該系統在空-地和空-空通信中都出現時斷時續的不穩定性。該項目證明AO可以提高接收到的通信性能，但在移動平臺上使用AO需要更高的校正帶寬和更高階的像差校正。

2006年，法國成功地在靜止軌道Artemis衛星與飛機間建立了空-星激光通信鏈路，空基平臺飛行高度約10 km。利用激光通信，實現了40 000 km雙向50 Mbit/s的激光通信鏈路。該試驗驗證了強度調制/直接探測在較強大氣湍流條件下工作的可行性。

2008年，德國航空航天中心(DLR)的ARGOS項目利用了Do-228飛機與地面站之間的空間激光通信驗證試驗。通信距離為10～85 km，通信速率為155 Mbit/s。2010年，進一步實現通信距離為10～100 km、通信速率為1.25 Gbit/s的演示驗證。激光載荷的安裝位置如圖2所示。

圖2 安裝在Do-228飛機上的激光通信載荷[17]Fig.2 Laser communication terminal mounted on Do-228[17]

2009年，美國麻省理工學院完成的飛機與地面站之間激光通信試驗，飛行高度3 657 m，通信速率2.5 Gbit/s，鏈路距離25 km。

2013年，德國航空航天中心在DODfast項目的支持下，完成了“狂風”戰斗機與地面移動站之間的激光通信測試試驗，如圖3所示。其通信速率為1.25 Gbit/s，通信距離大于50 km，飛機速度大于200 m/s。

圖3 狂風戰斗機搭載激光通信終端[19]Fig.2 Laser communication terminal mounted on Tornado fighter[19]

2016年，Facebook公司擬建設無人機無線光網絡，以Aquila無人機為空中激光節點，預計建成之后可為全球十多億人提供WiFi服務。該無人機飛行高度18 km，利用太陽能充電，滯空時間長達3個月。

2017年，通用原子公司在空基激光通信系統中演示(ALCOS)項目中的無人機激光通信載荷，其安裝在MQ-9 Reaper死神無人機上與GEO衛星進行高速激光通信，采用機身安裝的方式將無人機安裝在飛機的前部，如圖4所示。在演示試驗中，該項目實現了通信速率為1.8 Gbit/s、通信距離達到上千米的激光通信試驗。無人機平臺對激光通信終端質量和功耗要求嚴苛，且平臺穩定性差，對實現數萬千米的空星鏈路，技術難度極大。

圖4 死神無人機激光通信載荷安裝位置Fig.4 Laser communication terminal mounted on the Reaper drone

3 空基激光通信關鍵技術分析和未發展趨勢

3.1 空基激光通信面臨的問題

空基激光通信網絡是天地一體化建設中的關鍵環節，將目前以地面信息網絡為主的網絡邊界，擴張到空中領域的全方位覆蓋。切實完成了“國家利益到哪里，信息網絡覆蓋到哪里”的戰略需求。要想實現空基激光通信網絡的建設目標，主要面臨以下4個方面的難點。

1)空基平臺振動擾動：空基平臺具有低頻擾動和高頻振動的特性，這對激光通信系統的瞄準、捕獲、跟蹤(Pointing、Acquisition、Tracking， PAT)都有不同程度的影響。空基平臺的振動與衛星平臺的振動具有一定的相似之處，但也表現出其獨有特點，相似處體現在振動幅度都隨著頻率的增加而快速減小，其特點在于低頻振動的振動幅度更為劇烈，對比效果如表2所示，這將嚴重影響系統的PAT效果。

表2 振動情況對比Tab.2 Comparison of vibration conditions

2)強天空背景光：由于地表大氣散射的影響，近地表面天空背景光光強遠超星際通信天空背景光。通常情況下的星載激光通信終端接收到的恒星背景光功率為10～10W，而空基激光通信終端接收到的天空背景光強度受到天頂角、觀測方向、觀測時間以及大氣光學厚度的影響，背景光功率比星載終端高2～3個量級。這樣強的天空背景光將嚴重影響信標接收和通信接收單元的性能，使得接收信噪比很低，增加通信誤碼率并且降低了捕獲概率。所以在終端設計中應該考慮濾除天空背景光的相關設計。

3)高動態特性：首先空基激光鏈路相比于星地激光鏈路通信距離較短，相對運動角速度較大，使得動態跟蹤難度增加，跟蹤精度降低。本文應用STK進行數據仿真，得到的數據如圖5所示。圖5(a)為地面站與空載平臺在跟蹤狀態下的方位俯仰軸跟蹤速度和通信距離數據，空載平臺選擇速度為700 km/h的民航飛機，飛行高度為10 km。圖5(b)為地面站與衛星平臺在跟蹤狀態下的方位俯仰軸跟蹤速度和通信距離數據，衛星平臺選擇低軌衛星，軌道高度為1 200 km。通過數據分析可以發現，空載平臺下的動態跟蹤速率是衛星平臺下的2倍以上，因此需要優化跟蹤策略，提高系統的跟蹤能力。

(a)空載平臺跟蹤角速度和距離

(b)衛星平臺跟蹤角速度和距離圖5 兩種平臺跟蹤角速度和距離分析Fig.5 Analysis of tracking angular velocity and distance of two platforms

4)大氣影響：無論是空-地、空-空還是空-星通信鏈路，大氣信道特性都是激光鏈路通信中需要面臨的重要難題。不同的大氣條件對激光具有不同程度的吸收和散射效果，使接收光斑產生嚴重的畸變，如圖6所示，嚴重情況下造成系統的跟蹤精度下降。接收端光功率也會受到不同程度的嚴重衰減，同時會引起接收光功率波動，嚴重影響通信效果，使通信誤碼率增加。激光通信解調器接收到的信號光強度浮動較大，需要動態調整接收機的光強探測范圍，才能正確解調出激光攜帶的信息數據。

(a)未經過大氣傳輸的接收光斑

(b)經過大氣傳輸的接收光斑圖6 大氣傳輸對接收光斑的影響Fig.6 Effects of atmosphere transmission on receiving spots

3.2 空基激光通信關鍵技術

隨著無線激光通信技術的發展，部分難點已找到相應的解決方案，促使空基激光通信網絡建設日益完善，其關鍵技術總結如下所述。

1)高精度主被動視軸穩定技術：對于空基激光通信系統，由于空基平臺不穩定會造成開環指向角度的劇烈變化，通過配備角速率陀螺儀和捷聯導航設備的方式快速測量姿態角數據，并利用卡爾曼濾波算法預推測姿態角，實時調整激光通信終端的瞄準指向，保證主被動視軸的相對穩定。該方法具有計算量小、迭代速度快、開發成本低的優點，同時還有較好的抗振能力。為了優化控制器的動態模型，提高控制器對干擾和不確定項的魯棒性，應用滑模變結構控制實現激光通信終端對空基平臺姿態變化參考軌跡的跟蹤，為快速開環捕獲和高精度動態跟蹤奠定了基礎。

2)PAT技術：空基平臺具有運動速度快、飛行路徑不確定的特點，會不同程度地增加瞄準、捕獲、跟蹤難度。同時，激光的波束非常窄，對于高速運動的目標來說，想要直接對準并保持穩定跟蹤相當困難。應用粗精復合軸控制技術，將低頻的大偏轉量交給粗瞄準機構(軸系電機)進行補償，把高頻的小偏轉量交給精瞄準機構(壓電陶瓷偏轉鏡)進行快速調節，可有效提高PAT的效果。

3)大氣信道補償技術：大氣對空基激光通信鏈路會產生一定的干擾，主要體現在激光在大氣中傳輸時受到的大氣衰減、大氣湍流效應，這是高數據率通信不可忽略的影響因素。由于大氣衰減造成的光功率損耗無法避免，但可應用大功率發射及高靈敏度接收技術來彌補。應用自適應光學技術可以有效補償由于大氣湍流造成的光束強度起伏、相位起伏、光束擴展、光束漂移、像點抖動等現象。該項技術可以有效補償大氣的各類影響，為空基激光通信信道傳輸提供了技術支持。

4)光學基臺小型化設計：空基平臺的載質和功率都有限，特別是針對無人機平臺，更需要加小型的終端以滿足平臺對質量和功率的限制。目前，國內外報道的無人機激光通信載荷質量已經降低到10 kg以下，其主要技術途徑是對終端進行靜力學、動力學和熱力學分析，采用疊層結構設計，實現緊湊的空間布局，選擇輕型、抗機械形變的材料，并運用新型晶體結構替代傳統的軸系結構完成粗瞄準過程，大大減少了結構的體積和質量。

3.3 空基激光通信的發展趨勢

隨著空基激光通信技術的飛速發展，通信速率越來越快，如圖7所示。通信速度已經從最初的20 kbit/s發展到了現在的2.5 Gbit/s，未來還要向太比特每秒的速度發展，將在高速通信領域逐步發揮出激光通信技術的優勢。

圖7 國內外歷年空基激光通信試驗傳輸速率Fig.7 Transmission rate of air-based laser communication

空基激光通信可將偵察到的海量原始數據實時向中繼衛星或地面站傳輸，如有戰爭或者局部沖突爆發可以快速布局，進行全方位立體偵察，搜集敵方作戰相關信息，打擊敵方部隊。同時，也可以在敵方強磁干擾下快速建立通信，保證遠程指揮和情報的實時傳輸，防止敵方破壞干擾和竊聽，具有較大的實戰意義。

空基激光通信的發展趨勢總結如下：

1)在終端研制技術方面，重點向小型化、輕量化和低成本方向發展，同時需要提前布局終端的批量化生產能力；

2)在鏈路系統技術方面，重點發展AI技術和多源信息融合技術，以提升空基激光鏈路和網絡的可用度和穩定性；

3)在應用領域方面，將從空-空、空-地、空-星鏈路發展至天地一體化網絡系統應用，在完成高速數據傳輸基礎上，逐步向網絡數據中繼方面發展，將成為今后空天網絡系統的重要組成單元。

在未來的空中骨干網絡建設中，可在空基平臺上采用激光通信和射頻通信互補，與衛星平臺、地面站共同組成天地一體化網絡。該網絡在軍事上，應用于無人機、臨近空間飛行器、預警機與地面或者其他指揮節點大數據傳輸，快速部署空基通信單元等。在民用上，可以滿足大型客機網絡通信需求，實現航行過程中無間斷網絡服務。同時，飛艇、系留氣球等空基平臺也可以作為星地激光通信的中繼節點。

4 結論

本文通過分析國內外空基激光通信技術的發展情況，總結出該項技術面臨的各類問題以及關鍵技術，并預計了其未來的發展趨勢?？栈す馔ㄐ趴山鉀Q現有微波通信數據率低、抗干擾能力差、保密性低和頻段使用受限等瓶頸問題，是今后空基平臺數據傳輸的重要發展方向。與衛星激光通信技術相比，空基激光通信的平臺動力學環境、溫度環境等更為惡劣，對技術發展提出了新的挑戰，同時也給我國科研人員提供了多類技術發展方向。相信在不久的未來，空基激光通信將會逐漸從試驗走向工程應用，將在信息化戰爭中發揮重要作用。