1.2.1 歐洲

1977年，歐洲航天局布局了第一個(gè)空間高速數(shù)據(jù)激光鏈路技術(shù)方向的研究合同，評估用于空間的調(diào)制器。這標(biāo)志著歐洲航天局開始了長期和持續(xù)地對空間激光通信的投入。1985年，歐洲航天局提出了雄心勃勃的半導(dǎo)體激光星間鏈路試驗(yàn)計(jì)劃，即SILEX計(jì)劃，用于在軌演示星間激光通信的可行性，如圖1-1所示。

正是SILEX計(jì)劃的執(zhí)行，使得歐洲航天局在激光星間鏈路方向處于世界領(lǐng)先地位。2001年7月12日，Artemis衛(wèi)星隨Ariane-5在法國發(fā)射升空，但在發(fā)射過程中發(fā)生了故障。2001年11月21日，采用二進(jìn)制振幅鍵控（OOK）通信調(diào)制方式，實(shí)現(xiàn)了國際上首次高軌衛(wèi)星和低軌衛(wèi)星間的激光通信，通信波長800 nm，通信速率50 Mbit/s，通信數(shù)據(jù)為信道測試數(shù)據(jù)，通信誤碼率小于1×10?9。安裝在Artemis衛(wèi)星上的激光終端作為主動端掃描其不確定區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對SPOT-4衛(wèi)星的信標(biāo)光覆蓋。SPOT-4衛(wèi)星收到信標(biāo)光信號后將自身的通信光快速精確地指向 Artemis 衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)衛(wèi)星的建鏈。2001年11月30日，由SPOT-4衛(wèi)星采集的圖像首次通過激光鏈路傳輸給Artemis衛(wèi)星，再由Artemis衛(wèi)星通過微波饋電鏈路傳輸給地面。

SILEX激光通信終端的粗跟蹤機(jī)構(gòu)為L臂的形式，精跟蹤采用兩鏡電磁驅(qū)動快反鏡（FSM），超前快反采用兩鏡壓電驅(qū)動快反鏡，實(shí)現(xiàn)高帶寬和高精度的跟蹤，如圖1-2和圖1-3所示。激光終端口徑25 cm，總質(zhì)量150 kg，活動部件質(zhì)量70 kg，功耗130 W。

為了盡早實(shí)現(xiàn)國際上首次星間激光通信在軌驗(yàn)證，2001年11月15日，歐洲航天局利用西班牙光學(xué)地面站（如圖1-4所示）第一次實(shí)現(xiàn)了對Artemis衛(wèi)星發(fā)射信標(biāo)光，27 s后光學(xué)地面站完成了對衛(wèi)星信號光的跟蹤。

1993年，日本航天局和歐洲航天局簽署了開展星間激光通信試驗(yàn)驗(yàn)證的協(xié)議。日本的激光通信終端安裝在OICETS衛(wèi)星上，終端命名為LUCE。1994年完成了初步終端設(shè)計(jì)。2003年9月，日本航天局將LUCE終端運(yùn)到西班牙光學(xué)地面站開展了與Artemis衛(wèi)星之間的建鏈試驗(yàn)，驗(yàn)證了兩者系統(tǒng)參數(shù)和捕跟（捕獲和跟蹤）流程的正確性和匹配性。2005年8月23日，搭載LUCE終端的OICETS衛(wèi)星發(fā)射升空，進(jìn)入預(yù)定的太陽同步軌道，軌道高度為610 km。2005年12月9日，開展了與Artemis衛(wèi)星的第一次星間激光通信試驗(yàn)。與SPOT-4衛(wèi)星不同，LUCE終端可以同時(shí)接收和發(fā)射通信數(shù)據(jù)，因此這是世界上首次星間雙向激光通信鏈路的在軌演示驗(yàn)證。該激光終端的口徑為26 cm，發(fā)射光束束腰直徑為13 cm，激光功率為100 mW，質(zhì)量為170 kg。

為了驗(yàn)證衛(wèi)星與飛機(jī)之間的激光通信鏈路，Artemis衛(wèi)星開展了與法國飛機(jī)之間的激光通信試驗(yàn)。這次飛行試驗(yàn)命名為LOLA計(jì)劃，飛機(jī)飛行高度為6 000～10 000 m，鏈路距離接近40 000 km，激光發(fā)射功率為300 mW。該試驗(yàn)的難點(diǎn)在于受到飛機(jī)動平臺和大氣湍流信道的影響。飛機(jī)平臺的姿態(tài)擾動是衛(wèi)星平臺的10倍以上，飛機(jī)周圍由于受到氣流的影響需要考慮氣動光學(xué)和大氣湍流信道的雙重影響。2006年12月18日，LOLA計(jì)劃實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)在飛行速度為500 km/h時(shí)與Artemis衛(wèi)星的雙向?qū)崟r(shí)激光通信試驗(yàn)。安裝在飛機(jī)上的激光通信終端如圖1-5所示。

SILEX計(jì)劃成功地完成星間、星地、星機(jī)之間的多次激光通信試驗(yàn)，積累了許多寶貴的經(jīng)驗(yàn)，在軌驗(yàn)證了激光星間鏈路的可行性。SILEX計(jì)劃成功后，人們逐漸將關(guān)注點(diǎn)從可行性轉(zhuǎn)向可用性方面。可用性方面最重要的是提升通信速率，縮小體積和降低功耗。相干激光通信技術(shù)可以極大地提升接收機(jī)的靈敏度，實(shí)現(xiàn)功耗的降低和體積的縮小。

2007年4月23日，安裝有相干激光通信終端的美國NFIRE衛(wèi)星發(fā)射升空。2007年6月15日，德國的TerraSAR-X衛(wèi)星成功發(fā)射，該衛(wèi)星上安裝了德國Tesat公司的激光通信終端。激光通信終端采用了BPSK調(diào)制/相干通信體制，收發(fā)望遠(yuǎn)鏡口徑12.5 cm，質(zhì)量35 kg，功耗125 W，尺寸約為500 mm×500 mm×600 mm，通信速率達(dá)到了5.625 Gbit/s，通信波長為1 064 nm，最大跟蹤角速度4°/s，視場10 mrad，如圖1-6所示。2008年2月21日，兩顆衛(wèi)星間實(shí)現(xiàn)了第一次低軌衛(wèi)星間的星間相干激光通信試驗(yàn)。

隨著相干激光通信終端在軌試驗(yàn)的成功，歐洲航天局啟動了高軌衛(wèi)星激光通信驗(yàn)證項(xiàng)目，激光終端安裝在Alphasat衛(wèi)星上，是4個(gè)技術(shù)驗(yàn)證載荷之一。數(shù)據(jù)速率可達(dá)2.8 Gbit/s，用戶速率1.8 Gbit/s，鏈路距離大于45 000 km，誤碼率小于1×10?8，發(fā)射光功率2.2 W，望遠(yuǎn)鏡口徑135 mm，質(zhì)量54 kg，功耗160 W，尺寸為0.6 mm×0.6 mm×0.7 mm。相比第一代激光通信終端，第二代激光通信終端的主要改進(jìn)點(diǎn)有：選用立軸光學(xué)天線，光放大器的功率增加到5 W，接收機(jī)在1.8 Gbit/s的用戶速率下進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。電子學(xué)針對高軌應(yīng)用環(huán)境開展了15年連續(xù)服務(wù)的壽命設(shè)計(jì)，熱控系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的放大，如圖1-7所示。

2013年，Alphasat 激光通信終端準(zhǔn)確指向西班牙光學(xué)地面站，證明了激光終端具備36 000 km精確指向能力。經(jīng)過兩輪在軌試驗(yàn)驗(yàn)證后，歐洲航天局正式啟動了歐洲數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)（European Data Relay System,EDRS）計(jì)劃。該計(jì)劃將低軌衛(wèi)星的大容量數(shù)據(jù)通過激光星間鏈路傳遞給中繼衛(wèi)星，然后再通過微波鏈路下傳給地面用戶，共包括EDRS-A和EDRS-C兩顆高軌衛(wèi)星，在2024年前后將會增加一顆EDRS-D中繼衛(wèi)星，用于進(jìn)一步增加覆蓋區(qū)域。

2016年，EDRS-A衛(wèi)星發(fā)射成功，定軌在東經(jīng)9°，并于同年4月完成與地面站的通信測試；5月26日成功實(shí)現(xiàn)了與Sentinel-1A衛(wèi)星的激光連接。第一次將Sentinel-1A衛(wèi)星的圖像通過激光傳遞給EDRS-A衛(wèi)星。

2019年，EDRS-C衛(wèi)星發(fā)射成功，定軌在東經(jīng)31°。作為空中客車公司空間數(shù)據(jù)高速公路（Space Data Highway,SDH）星座網(wǎng)絡(luò)的第二個(gè)節(jié)點(diǎn)，EDRS-C衛(wèi)星在2019年7月15日順利完成了各項(xiàng)調(diào)試測試，并與哥白尼計(jì)劃的哨兵地球觀測衛(wèi)星建立了激光通信鏈路。

EDRS-D衛(wèi)星作為歐洲數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)計(jì)劃的一個(gè)全球節(jié)點(diǎn)，將提供亞洲和太平洋地區(qū)上空用戶的服務(wù)。衛(wèi)星上安裝3個(gè)下一代激光通信終端，每個(gè)終端可以兼容1 550 nm和1 064 nm兩個(gè)通信波段，同時(shí)安裝一個(gè)1 550 nm的試驗(yàn)終端。

歐洲航天局還開展了Tbit/s空間激光通信技術(shù)的研究（圖1-8），并在2016年進(jìn)行了地面10 km距離的通信試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了1.72 Tbit/s的通信速率。