1.2 空間激光通信技術發(fā)展現(xiàn)狀

1.2.1 國外空間激光通信發(fā)展現(xiàn)狀

空間激光通信技術在40 多年來受到各國的重視并得到了長足的發(fā)展，美國、俄羅斯、日本、歐洲等發(fā)達國家或地區(qū)投入了大量的資金和人力進行了全面的理論研究、仿真模擬、關鍵技術攻關、原理樣機研制等研究工作，主要有美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）、美國噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）、麻省理工學院林肯實驗室（Lincoln Laboratory， Massachusetts Institute of Technology）、加州理工大學（California Institute of Technology）、俄羅斯能源火箭航天集團（Russian Energy Rocket Space Corporation）、俄羅斯科學院（Russian Academy of Sciences）、日本宇宙航空研究開發(fā)機構（Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA）、日本國家信息通信技術研究所（National Institute of Information and Communications Technology，NICT）、歐洲航天局（European Space Agency，ESA）、德國航空航天中心（Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt， DLR）等研究機構，并開展了地地、星地、空地、空空、星空和深空等多種傳輸鏈路的演示驗證試驗，對空間激光通信系統(tǒng)所涉及的各項關鍵技術展開了全面深入的研究，不僅突破了空間激光通信中的諸多關鍵技術，還開發(fā)出多種鏈路形式的激光通信終端，并成功完成多項在軌試驗，技術基本成熟，已經(jīng)開始規(guī)劃建設可覆蓋全球的空間激光通信網(wǎng)絡。數(shù)據(jù)傳輸速率也由初期演示驗證的1.024 Mbit/s、50 Mbit/s躍變到目前的10 Gbit/s量級，在未來5～10年的空間激光通信計劃中，數(shù)據(jù)傳輸速率會高達100 Gbit/s，超越傳統(tǒng)的射頻通信數(shù)據(jù)傳輸速率的理論極限，逐漸成為載人航天、探月工程、火星探測以及對地觀測信息傳輸與交換的重要解決方案。20世紀70年代至今，國外進行的重要空間激光通信演示驗證試驗見表1-1。

1.2.2 國外機載激光通信發(fā)展現(xiàn)狀

機載平臺是擴展激光通信應用空間的一個優(yōu)良載體。相對于空間和地面平臺，它具有移動速度快、振動大等特點，并且對載荷有嚴格的尺寸、質量和功耗要求。因此，機載激光通信系統(tǒng)的研制具有較大難度[1]。隨著人們對激光通信技術研究的逐漸深入，研制實用的機載激光通信系統(tǒng)已經(jīng)成為一種趨勢，對機載激光通信系統(tǒng)的需求也在逐漸提升。

美國空軍研究實驗室（Air Force Research Laboratory，AFRL）從20世紀70年代就開始進行機載激光通信技術的研究[2]。經(jīng)過多年的研究，AFRL 證明了機載激光通信的可能性，并且研制了多個激光通信終端。此外，JPL[3]、麻省理工學院林肯實驗室[4]、DLR[5]、美國海軍研究實驗室（United States Naval Research Laboratory， NRL）[6]、美國通用原子航空系統(tǒng)公司（General Atomics Aeronautical Systems Inc.， GA-ASI）和美國國防部高級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）均對機載激光通信技術進行了深入研究。美國GA-ASI機載激光通信系統(tǒng)外觀如圖1-1所示。

1.機載飛行測試系統(tǒng)（AFTS）

麥道公司（McDonnell Douglas Corporation）在1970年展示了1 Gbit/s的激光通信桌面試驗系統(tǒng)，獲得 AFRL 支持開始研制空間飛行測試系統(tǒng)（Spaceborne Flight Test System，SFTS）。后來，由于支持資金大幅減少，空間系統(tǒng)變?yōu)榱藱C載系統(tǒng)，即機載飛行測試系統(tǒng)（Airborne Flight Test System，AFTS）。麥道公司在原方案的基礎上添加了遮光罩和跟蹤相機等設備，并于1980年在白沙靶場搭載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(tǒng)。

2.機載激光通信系統(tǒng)（ALCoS）

美國GA-ASI宣布成功對其機載激光通信系統(tǒng)（Airborne Laser Communication System，ALCoS）進行了地面測試，該系統(tǒng)設計用于該公司的中高度、長航時無人駕駛飛行器（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）。ALCoS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸能力是傳統(tǒng)射頻衛(wèi)星通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸能力的300倍，它可以作為前向部署力量的聯(lián)合天線網(wǎng)絡的入口，并可以在1 064 nm和1 550 nm兩個波段工作。

3.偵察/智能交互鏈路（RILC）

在20世紀90年代，美國彈道導彈防御組織（Ballistic Missile Defense Organization，BMDO）支持了多個項目研究空間激光通信系統(tǒng)。1994年9月，ThermoTrex公司研制的地面激光通信端機通過了實驗驗證，在海拔1 000 ft、相距150 km的距離上實現(xiàn)了1.12 Gbit/s的雙向激光通信。從1995年開始，AFRL支持ThermoTrex公司研發(fā)新一代機載激光通信系統(tǒng)——偵察/智能交互鏈路（Recce-Intel Cross Link， RILC）。系統(tǒng)的目標是在12 km的高空實現(xiàn)距離50～500 km的飛機間1 Gbit/s的雙向激光通信。RILC光學系統(tǒng)結構如圖1-2所示。

4.快速機載激光通信光學節(jié)點（FALCON）

為了避免像RILC一樣出現(xiàn)器件過時的情況，2003年，AFRL開始了一個全新的項目——電光傳感器技術與評估研究（EO Sensor Technology and Evaluation Research，ES-TER）。這個項目的目的是盡量利用商用技術和貨架產(chǎn)品來研發(fā)機載激光通信節(jié)點。這個項目中的光通信端機被稱為快速機載激光通信光學節(jié)點（Fast Airborne Laser Communications Optical Node，F(xiàn)ALCON）。該端機系統(tǒng)工作在1 550 nm波段，而工作方式則是在12 km的高空、相距100 km的距離以低于10?6的誤碼率進行2.5 Gbit/s的雙工通信。FALCON的光學系統(tǒng)結構如圖1-3所示。

5.光射頻通信鏈路試驗（ORCLE）

美軍首個專門研究自由空間光通信（Free-Space Optical，F(xiàn)SO）與射頻通信混合應用的項目是美國DARPA發(fā)起的光射頻通信鏈路試驗（Optical RF Communications Link Experiment，ORCLE）計劃，主要研究射頻和FSO通信節(jié)點混合組網(wǎng)應用的可行性以及必需的組網(wǎng)和物理層技術[9]。

ORCLE計劃提出的FSO與射頻通信混合應用系統(tǒng)概念并非簡單地把射頻傳輸轉換成FSO傳輸，而是能夠根據(jù)所傳送消息的大小和環(huán)境的不同，選擇最高效的方式發(fā)送消息。也就是說，F(xiàn)SO 信道和射頻信道都隨時可用，工作時根據(jù)傳輸需求靈活選擇最佳的信道，并且在ORCLE網(wǎng)絡中通過FSO信道進行高數(shù)據(jù)率傳輸?shù)耐瑫r，網(wǎng)絡中其他數(shù)據(jù)可通過射頻信道傳輸，真正實現(xiàn)光和射頻通信鏈路智能化的混合應用。

ORCLE計劃利用射頻和FSO混合通信鏈路演示了包含飛機與飛機之間（空空）和飛機與地面單元之間（空地）的通信傳輸鏈路，其中，F(xiàn)SO數(shù)據(jù)鏈的通信數(shù)據(jù)率為2.5 Gbit/s，而射頻戰(zhàn)術通用數(shù)據(jù)鏈（TCDL）的數(shù)據(jù)率則為45 Mbit/s。

6.自由空間實驗激光終端（FELT）

ESA 從 2003 年開始進行空間平臺網(wǎng)絡寬帶通信傳輸（Communications from Aerial Platform Networks Delivering Broadband Information for All，CAPANINA）試驗項目，旨在通過高空平臺為60 km之內(nèi)的用戶提供高達120 Mbit/s的無線通信速率。2005年8月30日，在氣球實驗中，第一次從高度為20 km的平流層向距離64.3 km的地面成功發(fā)送傳輸速率為1.25 Gbit/s的數(shù)據(jù)，誤碼率低于10?9。CAPANINA試驗使用的終端稱為自由空間實驗激光終端（Free-Space Experimental Laser Terminal， FELT），它是一個單工工作（下傳）的通信鏈路。FELT系統(tǒng)外觀如圖1-4所示。

FELT和可運輸光學地面站（Transportable Optical Grand Station，TOGS）的原理如圖1-5所示，F(xiàn)ELT的光學系統(tǒng)包含一個口徑為22 mm、焦距為75 mm、視場角為4°的跟蹤相機以及3個小口徑的激光發(fā)射系統(tǒng)（雙信標冗余設計）。收發(fā)在空間上是分離的，但是共用一個通光口徑為50 mm的跟蹤結構。系統(tǒng)使用三明治結構碳纖維腔體進行被動隔熱，當腔體外部溫度為?65 ℃時，大多數(shù)內(nèi)部元件溫度仍然保持在20～30 ℃。由于碳纖維的使用，整機質量僅為17.5 kg，功耗小于75 W。

7.平流層光學負載試驗（STROPEX）

與FELT類似，平流層光學負載試驗（Stratospheric Optical Payload Experiment， STROPEX）項目也是CAPANINA項目的一部分，STROPEX通信鏈路系統(tǒng)結構如圖1-6所示，主要是為了獲取大氣湍流條件下折射率結構的參數(shù)數(shù)據(jù)，同時也希望獲取系統(tǒng)設計和裝調(diào)測試、捕獲對準跟蹤系統(tǒng)以及平流層空間平臺下行激光傳輸鏈路的性能參數(shù)。

8.海軍實驗室微型雙模光學詢問器（μDMOI）

1998年，NRL開始進行調(diào)制反射鏡（Modulating Retro-Reflector，MRR）技術的研究。利用量子阱調(diào)制器制作的貓眼型MRR，NRL實現(xiàn)了7 km距離、45 Mbit/s傳輸速率的單向通信。MRR具有大視場，并且不需要激光器，具有質量輕、體積小的優(yōu)勢，十分適合于短距離、低成本通信。

與 MRR 配合工作的是 NovSol 公司生產(chǎn)的雙模光學詢問器（Dual Mode Optical Interrogator，DMOI），但DMOI本身不具備裝載在無人機上的條件。因此，NRL從2012年開始論證微型激光通信模塊，并將其命名為μDMOI。μDMOI以Cloud Cap技術公司生產(chǎn)的TASE300平臺為載體，該平臺的體積和質量小，十分適合于無人機。

機載μDMOI可以與地面DMOI進行25 km距離、155 Mbit/s傳輸速率的通信，還可以與MRR進行1 km距離、2 Mbit/s傳輸速率的通信。μDMOI的發(fā)射口徑為1.27 cm，使用0.5 W、1 550 nm激光，發(fā)散角為1.5 mrad。接收口徑為5.08 cm，使用9:1分光棱鏡將接收光分給雪崩光電二極管（Avalanche Photodiode，APD）和位置敏感器件（Position Sensitive Device，PSD）。由于發(fā)射和接收視場都較大，只使用粗跟蹤就可以進行通信。這種簡單實用的設計，適合于中短距離低速通信。μDMOI接收系統(tǒng)結構如圖1-7所示。

雖然國外機載激光通信發(fā)展了40多年，完成了一些端機及系統(tǒng)試驗，但是距實用還有一定距離。國內(nèi)的機載激光通信由于發(fā)展時間短，在系統(tǒng)指標和單元技術方面都與國外水平存在較大差距，要趕上國外水平還有許多工作要做，可以針對各項關鍵技術展開攻關，逐步開發(fā)具有競爭力的實用系統(tǒng)。

隨著研究的逐步深入，機載激光通信系統(tǒng)未來的應用領域將會不斷擴展。機載激光通信正在從軍事應用（如區(qū)域監(jiān)視、戰(zhàn)場偵察和態(tài)勢感知）向民用領域（如空中組網(wǎng)、星地中繼和局域網(wǎng)通信）等方向發(fā)展。機載平臺也出現(xiàn)多樣化，向無人機、高空氣球、臨近空間飛行器等方向發(fā)展。機載激光通信的場景從空?地、空?空向空?海、空?天擴展。為了適應新的使用條件和未來激光組網(wǎng)的要求，機載激光通信系統(tǒng)將會向小型化、集成化、多元化發(fā)展。在未來的信息化戰(zhàn)爭中，機載激光通信將會成為必不可少的通信手段。

1.2.3 國內(nèi)激光通信發(fā)展現(xiàn)狀

在空間激光通信技術研究方面，我國的研究起步較晚，但是國家對于空間激光通信研究非常重視。據(jù)不完全統(tǒng)計，國內(nèi)已有哈爾濱工業(yè)大學、電子科技大學、長春理工大學、空軍工程大學、中國科學院上海光學精密機械研究所、中國科學院西安光學精密機械研究所等多所高等院校和科研院所開展了空間激光通信技術與系統(tǒng)研究。從“九五”計劃至今，先后開展了空間激光通信基本概念和基礎理論的研究、實驗系統(tǒng)設計、性能仿真驗證、終端設計和樣機研制、不同鏈路（地地、空空、空地、星地等）激光鏈路演示驗證試驗，取得了豐碩的成果。

哈爾濱工業(yè)大學是國內(nèi)較早開展空間激光通信技術研究的單位，現(xiàn)有星地激光通信技術國防重點學科實驗室，其研究的星地激光通信原理樣機于2007年通過實驗室測試，并于2011年進行了海洋2號衛(wèi)星對地（長春站）通信試驗，于2017年開展了國際首次同步衛(wèi)星與地面雙向高速激光通信試驗。電子科技大學在星地大氣激光通信和相關激光通信技術體制研究方面，中國科學院光電技術研究所在跟蹤瞄準技術方面，中國科學院上海光學精密機械研究所在光調(diào)制解調(diào)技術方面，中國科學院西安光學精密機械研究所在光交換網(wǎng)絡方面，北京大學在高穩(wěn)頻窄線寬激光光源研制方面，中國航天科技集團有限公司第五研究院西安分院在激光終端集成測試方面，均形成了自己的特色。

長春理工大學擁有國家發(fā)展和改革委員會授予的“空間光電技術國家地方聯(lián)合工程研究中心”和國防科學技術工業(yè)委員會授予的“空地激光通信技術國防重點學科實驗室”平臺，在航空平臺和地面平臺的激光通信技術與系統(tǒng)研究方面具有明顯的特色優(yōu)勢。

2007年，長春理工大學成功開展了國內(nèi)首次地面動態(tài)遠距離、高速率激光通信演示驗證。2011 年，長春理工大學成功開展了國內(nèi)首次直升機?直升機間雙端動態(tài)激光通信演示驗證。2013年，又進行了國內(nèi)首次兩固定翼飛機間遠距離、高速率水平信道激光通信試驗驗證，在相距144 km以上的兩架Y-12飛機之間，實現(xiàn)了動態(tài)平臺條件下通信視軸的快速對準、高精度跟蹤和高速率（2.5 Gbit/s）、低誤碼率（10?6）的數(shù)據(jù)傳輸。

2016年，我國墨子號量子科學實驗衛(wèi)星搭載中國科學院上海技術物理研究所研制的激光通信終端，在對地通信距離為 1 000 km 且有大氣干擾的條件下，達到了5.12 Gbit/s的通信速率。近年來，我國科研人員不斷奮進攻堅，突破了關鍵技術難題，使激光通信技術在短時間取得了跨越式的發(fā)展，為空間激光通信組網(wǎng)技術的發(fā)展起到了巨大推動作用。

2017年4月12日，實踐13號衛(wèi)星（又名中星16號衛(wèi)星）成功發(fā)射，正式標志著我國第一顆基于 GEO 衛(wèi)星的激光通信進入實驗階段。目前，該衛(wèi)星已經(jīng)與鏈路距離為42 000 km的高軌衛(wèi)星以及地面通信站之間完成了激光通信試驗，數(shù)據(jù)發(fā)送能力為5 Gbit/s。此后，該衛(wèi)星還將繼續(xù)與搭載著相同光端機的低軌衛(wèi)星完成高軌衛(wèi)星與低軌衛(wèi)星之間的一系列激光通信組網(wǎng)體制試驗任務。

2020年4月，實踐20號衛(wèi)星搭載的我國首套高速高階相干激光通信終端在軌圓滿完成第一階段試驗任務，首次在軌驗證了正交相移鍵控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）相干體制的激光通信，傳輸速率高達10 Gbit/s，是我國當前衛(wèi)星激光通信的最高速率。本次星地通信試驗完成了在軌自校準、快速高精度捕跟、超高速星地相干通信等關鍵技術驗證工作，全面驗證了高速高階相干體制應用于衛(wèi)星激光通信的可行性，實現(xiàn)了我國首個在軌驗證的QPSK相干體制激光通信最高碼速率，技術指標達到了世界先進水平。國內(nèi)空間激光通信試驗開展情況見表1-2。