国内外卫星激光通信技术及其星载终端系统发展情况

本文转载自高端装备发展研究中心

随着国际航天航空科技领域的迅猛扩张与发展，世界各国越来越重视卫星激光通信技术的研究与突破，为更好地推进该技术并快速占领国际市场，特别是美国、欧洲、日本、俄罗斯等发达国家陆续启动了一系列研究计划和项目规划，分别研制出不同用途、不同种类、不同性能的激光通信系统及通信终端，为后续的发展和研究提供了宝贵的经验和指导，同时也为国家的经济、国防等做出了重大贡献。总体来看，美国、欧洲、日本等国在该领域的研究起步早，目前处于国际领跑地位，中国起步相对较晚。

Ø 美国

美国NASA早期就开展了空间激光通信技术研究，如“激光通信演示系统”（OCD）、“转型卫星通信系统”（TSAT）、月球激光通信演示（LLCD）等项目研究，为后期技术发展奠定了良好的技术基础。NASA致力推进激光技术成为未来太空通信的通用形式，近年来，已开展多个技术研发项目：一是“激光通信中继演示验证”（LCRD）；二是“深空光学通信”（DSOC）。预计2023年作为NASA“发现”项目“普赛克”任务的一部分发射升空。届时，“普赛克”航天器将携带DSOC激光装置飞抵一颗由金属元素组成的小行星，测试激光通信技术，据称通信距离比LCRD任务更远。三是NASA格伦研究中心团队正在开发“一体化射频与光学通信”（IROC）概念，计划向火星轨道发送一颗激光通信中继卫星，用于接收远距离航天器的数据并将数据中继至地球。

美国OCD激光演示通信系统

OCD激光演示通信系统（Optical Communication Demonstrator）是JPL和NASA于1994年合作研制的一套激光通信系统，该实验室先后研制了两套OCD激光通信终端，即OCD I和改良型OCD II，两者的具体性能参数见表，其中一套为原理样机，具有结构小巧简单、集成度高等特点，通信波长为830nm波段，调制解调方式采用开关键控。

主要用于低轨卫星与地面站链接。该终端系统主要由电荷耦合器件（CCD）阵列、直径为10cm的光学天线、高带宽的跟瞄装置和光纤耦合装置等构成，如上图所示。

参数	OCD I	OCD II
波长	信号发射 844nm； 信标接收波长 780nm	信号发射 1550nm； 信标接收波长 780nm
输出平均功率	60m W	60m W
天线口径	10cm	10cm
光束发散角	22µrad	200µrad
万向架	无	有粗对准万向架
跟踪视场角	1×1mrad	3.25×2.45mrad

OCD I 与OCD II参数对比表 

在捕获阶段，OCD系统的ATP探测器接收视场为6mrad、帧频为10KHz@512pixel×512pixel；在跟踪阶段，探测器接收视场为12μrad，帧频为2MHz@10pixel×10pixel，同时为了达到跟踪精度、控制带宽的要求，该系统采用了更先进、功能更强大的焦平面阵列探测器（Focal Plane Array Detector，FPAD）和快速反射镜（Fine Steering Mirror，FSM）。在2000年，激光通信演示系统在地面45公里激光链路的试验中，成功验证了单个快速反射镜系统的可行性。

月球激光通信演示（LLCD）终端系统

LLCD计划是NASA的“月球探测计划”。它是NASA首次尝试开发用于行星际探测器的高性能激光通信系统。第一个LLCD太空终端搭载美国国家航空航天局的月球大气和尘埃环境探测器航天器（简称LADEE）于2013年9月成功进入预定轨道。

LLCD构成图

该计划由麻省理工学院、林肯实验室与美国宇航局戈达德航天中心合作管理。目标是展示从月球轨道上的航天器到地面接收机的双工光通信。LLCD为上行链路实现高达620Mbit/s的数据速率，为下行链路实现20Mbit/s的数据速率。

此外，有效载荷显示激光测距，其误差小于200皮秒的双向飞行时间误差可提供亚厘米级的精度。

LLCD系统由三个主要部分组成：安装在LADEE上的激光通信终端LLST（Lunar Lasercom Space Terminal）和安装在地球上的激光通信管控中心以及激光通信地面终端。

Lunar Lasercom Space Terminal

美国宇航局和林肯实验室共同开始研制的LLST安装在LADEE航天器的有效载荷模块上，由一个光学模块，一个调制解调器模块和一个电子模块组成。该系统在运行过程中需要大约137瓦的功率，重约32千克。光学有效载荷安装在LADEE外部，而调制解调器和电子部件位于其内部。

LLCD Optical Module

其光学模块是一个10厘米的卡塞格伦望远镜（使用一个主凹镜和一个围绕光轴排列的辅助凸镜将光线聚焦在探测器上）。望远镜安装在一个双轴万向节组件上，使LLCD可以从各种航天器方向进行操作。该组件采用磁流体动力学惯性参考单元进行惯性稳定，该单元拒绝任何高频运动以保持光学器件完美稳定。

LLCD系统主要参数

2013年10月，LLST与地面通信设备成功建立了双向的激光链路，实现了月地激光通信，成为世界上通信距离最远的激光通信系统。终端设备的详细参数如表所示。

由于其高功率需求，LADEE上的激光通信终端将仅在到达月球轨道后的航天器试运行中使用。由于功率限制，LLCD累积约有16小时的运行时间，每次轨道通过使用最多15分钟。此外，该系统只能在白沙地面站或ESA站处于使用状态时使用，从而将激光通信级数数量减少到每天约5次。

LLCD Operations

激光通信中继演示计划（Laser Communications Relay Demonstration，LCRD）

受限于月地激光链路建立的时间（仅为16小时），链路保持的时间较短，为更进一步研究、突破深空激光通信技术及全球化组网技术，美国宇航局已经启动了另一项研究计划，即“激光通信中继演示计划（Laser Communications Relay Demonstration，LCRD）”。

LCRD是NASA戈达德太空飞行中心（GSFC），喷气推进实验室-加利福尼亚理工学院（JPL）和麻省理工学院林肯实验室（MITLL）的联合项目。

NASA正在扩大其通信能力，将光中继作为下一代通信和导航体系结构的一部分。LCRD项目将跟踪NASA过去在月球激光通信演示（LLCD）方面取得的成功。LCRD由两个光通信终端和相关电子设备组成，作为地球同步卫星的有效载荷。预计双向用户数据速率高达1.244Gbps。两个激光接收地面站将作为光中继线干线的地面站和模拟光中继用户。

LCRD Mission Architecture Diagram

LCRD任务发生了重大变化。飞行有效载荷现在将在空间测试计划卫星6（STPSat-6）上飞行。航天器的变化也伴随着其他变化，包括增加高带宽的Ka波段RF链路和重新定位航天器的运行。除了这些变化之外，被称为光地面站2（OGS-2）的第二个光地面站已经搬迁到夏威夷。新的LCRD Mission Architecture Diagram如图所示。

LCRD变化的一些动机是未来空间通信中继架构的演变策略。NASA计划于2019年发射其星载激光通信终端至地球同步轨道，开展为期2年的激光通信中继演示验证任务。任务中，位于美国加州的地面站将向距地约3.6万千米的地球同步轨道星载激光通信终端发射激光信号，随后地球同步轨道星载激光通信终端将信号中继到另一个地面站。目前，NASA的LCRD系统已成功通过关键决策点评审，进入开发整合与测试阶段。

Ø 欧洲

对于激光通信技术的研究，欧洲先后制定并实施卫星激光通信相关的研究计划，从而出现相应的激光通信终端。具有代表性的研究单位及国家有欧空局（ESA）、德国航天中心（Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt，DLR）、德国航天局（German Space Agency, GSA）、法国、瑞士等。

SILEX激光通信终端OPALE和PASTEL

SILEX（Semiconductor-laser Intersatellite Link Experiment）计划，即“半导体激光星间链路试验”计划包含OPALE和PASTEL激光通信终端，分别装载于欧洲航天局（ESA）的高级中继技术任务卫星（ARTEMIS）和法国的地球观测卫星（SPOT-4）上，搭载的卫星外形如图。

SILEX计划组成图

两系统结构不同之处在于:OPALE终端装载了信标光发射系统（19支A1GaAs激光二极管），而PASTEL终端上没有装载信标光发射系统。该计划成功地解决了激光通信终端的精密光学瞄准捕获跟踪这一主要关键技术，所研制的复合轴的粗/精跟瞄系统已经直接应用于新一代的高码率OPTEL（由瑞士研制）和TSX-LCT（由德国研制）等激光通信终端中。

SILEX激光通信终端系统及搭载卫星的外形图:ARTEMIS（左）和SPOT-4（右）

SILEX激光通信终端的光学系统主要由光学天线、激光器、光束准直透镜组及光电探测器等组成，其光学系统参数如下表所示。

SILEX激光通信终端OPALE和PASTEL的发展情况：

时间
1997	ESA对光学地面站（Optical Ground Station，OGS）的测试完成，成功验证了通信的可靠性和链路的稳定性。
2001	SPOT4第一次与ARTEMIS成功建立星间的激光链路，从而实现通信，首次证明在星间建立激光链路并实施通信的可行性及稳定性。
2005/12/9/	搭载于ARTEMIS卫星的通信终端与日本卫星终端OICETS（Optical Inter-orbit Communication Engineering Test  Satellite）之间建立星间链路，成功实现双向激光通信。
2006/12/19/	搭载于ARTEMIS卫星上的通信终端与法国的中高空无人机LOLA（Liaison Optique Laser Aeroportee，LOLA）首次实现了以大气为媒介的星空通信。表明：即使有大气湍流的影响，非相干通信方式能够实现星空链路的建立，完成星空任务。

EDRS欧洲数据中继卫星系统计划

在对SILEX系统进行反复的试验验证，掌握成熟技术之后，欧空局开始部署新一代激光通信数据中继卫星系统（European Data Relay Satellite System，EDRS）计划。EDRS的目的是在LEO卫星和GEO卫星之间成功建立稳定可靠链路，并能够进行高速率的信息双向传输。

EDRS原理样机

EDRS是由ESA（研发）和空客防务及航天公司（负责系统的建造、发射和运营）共同研发，是世界首个独立运行的商业化空间激光通信系统。EDRS通过采用激光通信技术在地球静止轨道为近地轨道卫星、机载平台向欧洲地面站近实时地中继传输大量数据。EDRS一期系统的空间段包括两个地球静止轨道节点，分别是EDRS-A数据中继有效载荷和配置了数据中继有效载荷的EDRS-C专用卫星。

EDRS的首个激光通信中继载荷EDRS-A已于2016年1月30日成功发射，迈出了构建全球首个卫星激光通信业务化运行系统的重要一步。EDRS-A可提供激光和Ka波段两种双向星间链路，星间传输速率可达1.8吉比特/秒。在完成一系列在轨测试后，EDRS-A于2016年6月成功传输了欧洲“哨兵”1A雷达卫星的图像，并于2016年7月进入业务运行阶段。EDRS-A载荷实现在轨服务，表明欧洲已率先实现星间高速激光通信技术的业务化应用，是近年来欧洲航天技术快速发展的一个重要里程碑。

ESA计划在2020年扩展成为全球覆盖系统，形成以激光数据中继卫星与载荷为骨干的天基信息网，实现卫星、空中平台观测数据的近实时传输。

Ø 日本

日本通信终端研制最为成功的有ETS-VI计划（Japanese Engineering Test Satellite VI，ETS-VI）和OICETS计划（Optical Inter-orbit Communication Engineering Test Satellite，OICETS）。

ETS-VI卫星激光通信终端LCE

工程试验卫星（ETS-VI）装载的激光通信终端LCE由日本邮电部CRL研制。1995年日本成功实现光通信终端LCE与地面站之间激光通信，此次试验为世界上首次成功完成的星地激光通信。系统主要包括二维转台、光学天线、精瞄准装置、预瞄准装置、光束准直器、通信激光器等。LCE终端得光学天线为收发一体透射型，口径75mm，压缩比为15。

ETS-VI卫星正常运行至1996年7月，之后因为故障中断了星地链路，试验结束。美国JPL的地面通信终端TMF与ETS-VI卫星之间建立星地链路，实现激光通信。

日本OICETS卫星激光通信终端LUCE

在ETS-VI计划完成GEO卫星与地面终端通信后，为研究LEO卫星与地面终端之间的激光链路特性和激光通信技术，日本宇宙开发事业部NASDA研制了搭载于光学在轨测试通信卫星OICETS的通信终端LUCE（Laser Utilizing Communication Equipment，LUCE）。

LUCE激光通信终端

2003年9月，LUCE终端与ESA的OPALE终端系统进行光通信实验，用于实现对捕获、跟踪和瞄准技术等关键技术的验证，通过不断的调整和试验，最终成功建立双向链路，实现星地双向激光通信，系统采用IM/DD调制体制，上行、下行传输速率分别为2.048Mbps, 49.372Mbps。OICETS卫星在2006年3月与地面通信终端KODEN建立链路，与前次通信试验不同的是，LUCE终端没有信标光束，地面平台既有信标光又有信号光。

SOCRATES计划激光通信终端SOTA

SOTA终端

日本国家情报与通信技术研究所在2008年启动先进空间激光通信技术卫星项目the Space Optical Communication Research Advanced Technology Satellite，SOCRATES计划，该计划旨在验证适用于50千克级小卫星的“小型光学通信终端”（SOTA）。2011年SOTA被成功研制出。2014年5月，SOTA搭载低轨小卫星发射入轨，并于2014年8月至11月间成功开展了低轨卫星对地激光通信试验。SOTA总质量仅为5.8千克，最远通信距离达1000千米，下行通信速率10兆比特/秒，可构建绝对安全的全球光通信网络，使得飞机、卫星收集的高分辨率图像数据可通过空间激光通信链路下传至地面站。

最新发展

日本2015年1月9日公布的新版《宇宙基本计划》将“激光数据中继卫星”计划正式列入其中，并于2015财年下拨了32.08亿日元作为启动经费。日本计划2019年发射“激光数据中继卫星”，将当前数据中继系统的微波链路替换为激光链路，通过激光实现先进光学卫星等新一代高分辨率对地观测卫星之间的通信，预设通信速率达2.5吉比特/秒，届时将使日本获得更高速的实时观测能力。

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