空间激光通信系统应用现状及发展趋势

空间光通信系统的发展现状

卫星光通信是人们经过多年探索并于近几年取得突破性进展的新技术。它是一种崭新的空间通信手段，利用人造地球卫星作为中继站转发激光信号，从而实现在多个航天器之间以及航天器与地球站之间的通信。由于卫星光通信具有诸多优点，所以吸引着各国专家锲而不舍的探索。近几年，美国、欧空局各成员国、日本等国都对卫星光通信技术极其重视，对卫星光通信系统所涉及的各项关键技术展开了全面深入的研究，目前在卫星光通信领域已取得突破性进展，成功的实现了卫星-地面、卫星-卫星之间的光通信试验，预计最近几年就将进入实用化阶段。

随着遥感器分辨率不断提高，对传输速率的要求也越来越高，因此用传统的微波数据传输方式难度很大。在这种情况下，倘若改用激光通信传输，那么便可比较容易的满足要求，就其通道终端设备自身而言实现难度相对较小。当然，事物都有两面性，由于激光通信的波束很窄（一般为几十微弧度），对两个都处于运动的通信系统来说，激光束的捕获、跟踪和瞄准都具有较大的挑战性，是急待攻关解决的难题。激光通信可以用于地球同步卫星之间（GEO-GEO）、地球同步卫星与中轨道卫星之间（GEO-MEO）、地球同步卫星与低轨道卫星之间（GEO-LEO）、低轨道卫星之间（LEO-LEO）以及卫星、飞机与地面之间的信息交换。

我国曾开展过激光大气通信理论、技术与系统的研究，但这些工作是以实现地-地之间大气传输光通信为应用背景的。近年来对原子滤波器的研究，为实现强背景干扰情况下的空间光通信提供了技术支持，然而要想达到实际应用还有相当的距离。对于卫星间光通信技术的研究也已经开展，进行了卫星光通信系统的计算机模拟仿真分析以及初步的实验室模拟实验研究，目前正在进行卫星光通信关键技术的研究。随着卫星光通信技术的不断成熟，我国也应将这种通信技术应用于未来各种卫星组网，以便实现它们相互配合协同工作。

空间光通信系统的主要优点

相比与传统的微波空间通信，激光空间通信由于波长比微波波长明显短，具有高度的相干性，良好的单色性和空间定向性，这决定了它具有通信容量大、设备体积小、质量轻、功耗低、安全性（可靠性）高、保密性好等特点，此外，还有传输速率高、可用频带宽、建造和维护经费低廉等优势。下面分别详细叙述：

1、通信容量大

激光的频率比微波要高许多，作为通信的载波有更宽的利用频带。光纤通信技术可以移植到空间通信中来，目前光纤通信每束光波的数据率可达20Gb/s以上，并且能采用波分复用技术，使得通信容量上升几十倍。因此，在通信容量上，光通信比微波通信具有巨大的优势。

2、体积小、质量轻

由于空间激光通信的能量利用率高，使得发射机及其供电系统的重量减轻；由于激光的波长短，在同样的发散角和接收视场要求下，发射和接收望远镜口径都可

以减小。摆脱了微波系统巨大的碟形天线，重量减轻，体积减小。

3、功耗低

激光的发散角很小，能量高度集中，落在接收机望远镜天线上的功率密度高，发射机的发射功率可大大降低，功耗相对较低。这对应于能源成本高昂的空间通信来说，是十分适用的。

4、可靠性高

由于光通信系统使用激光作为光源，其发散角很小，能量集中在很窄的光束中。窄光束意味着和邻近卫星间的通信干扰将会减小，这对于卫星较多的低轨道星座群之间相互通信非常重要，因为它的可靠性高，所以避免了相互影响冲突，稳定性增强，提高通信效率。

5、保密性好

由于激光具有高度的定向性，发射波束纤细，激光的发散角通常在毫弧度，这使得激光通信具有良好的保密性，可有效的提高抗干扰、防窃听的能力。

6、其它优点

光通信的频段不像射频那样由国家或国际机构管理，光频段的使用现今没有受到限制。此外，空间激光通信的建造费用和维护费用十分低廉。

空间光通信系统的结构组成

我们按照功能不同将空间光通信系统分为光源分系统，发射和接收分系统，信标分系统，捕获、瞄准和跟踪分系统四大模块，下面分别讨论如下：

1、光源分系统

在卫星光通信中，通信光源至关重要。它直接影响天线的增益、探测器件的选择、天线直径、通信距离等参量，因此对光源子系统研究十分必要。美国、欧洲、日本在低轨道-低轨道和低轨道-静止轨道卫星的空间通信链路试验中，都采用800~850nm波长范围的AlGaAs（砷镓化铝）激光器，因为该范围的APD（雪崩光电二极管）探测器件工作在峰值，量子效率高、增益高。而在星地通信链路试验中，地面装置采用半导体泵浦倍频Nd：YAG激光器或氩离子激光器作为光源，波长在514~532nm，该波段具有较强的抗干扰能力，能穿过大气而不使通信中断。从抗太阳干扰因素和半导体激光器的发展来看，将来卫星光通信采用的光源有向更短波段发展的趋势。半导体泵浦倍频Nd：YAG激光器由于不仅具有良好的相干性，而且可以做得体积很小，因此也是将来星上激光器的一个良好选择。

2、发射和接收分系统

发射、接收分系统是卫星光通信系统的关键子系统之一。光发射机大致可认为是光源、调制器和光学天线的级联，而光接收机则可看成是光学接收天线和探测器、解调器的级联。

调制的作用是将需要发射的信号调制到光载波上；探测、解调是通过光电转换器件将光信号转换为电信号。探测部分还包括滤波、放大部分，该部分也是卫星光通信系统中必不可少的。

3、信标分系统

由于在空间光通信系统中，通信信号光束发散角非常小，因此如果利用信号光束进行捕获、瞄准将会是非常困难的过程。所以在卫星光通信系统中都要单独设立一个激光信标分系统。信标光束主要是给瞄准、捕获过程提供一个较宽的光束，以便在扫描过程中易于探测到信标光束，然后进行后面的调整过程。

4、捕获、瞄准和跟踪分系统

捕获、瞄准、跟踪分系统是空间光通信系统中非常重要的分系统之一，也是空间光通信的难点、重点。各国在对空间光通信系统的研究中，都提出了一些捕获、瞄准、跟踪系统的方案，并对相当一部分方案进行了实验室模拟。这些方案在探测时的扫描方式以及探测、跟踪传感器的选择等方面都有所不同，但实际采用的捕获、瞄准、跟踪方案是基本一致的。

空间光通信系统的主要技术指标

空间光通信系统的主要技术指标如表1所示。

影响空间光通信系统性能

的因素以及对策

1、大气影响

大气对空间光通信的影响主要表现为两个方面：大气衰减以及光束闪烁、扩散、弯曲。

大气衰减是指因大气对光束的吸收和散射而引起的信号能量减弱。吸收是由水蒸气、二氧化碳、臭氧分子等对光有吸收作用造成的。克服大气衰减的方法有三种：一是选择工作波长，使其处于透过率高的大气窗口之内；二是提高激光器的输出功率；三是提高接收机的灵敏度（其中包含优化光学系统设计、增大接收天线口径、对光学天线作镀膜处理、选择高灵敏度的光敏感器件、降低接收机的噪声等）。

光束闪烁、扩散、弯曲是由传播过程中大气湍流和大气折射引起的波前失真造成的。大气湍流的影响是造成传输的误码率增加。散射是由悬浮粒子引起的米氏散射、瑞利散射造成的。光束扩散、弯曲的影响是造成接收到的光功率下降。克服光束闪烁、扩散、弯曲的方法是增加接收天线面积和在发射与接收两端分别使用自适应光学技术。

2、温度影响

光通信系统的终端处在平台的不同位置，设备之间总存在有温度梯度。而设备又是用多种材料制成的，不同材料有不同的膨胀系数，温度梯度势必会造成机械结构变形，从而影响系统的安装和指向精度。克服的方法有两种：一是选用膨胀系数小的材料，二是采用主动温控措施。

3、背景光的干扰

太阳光、月光、星光及地面的反射光，都可能对通信链路的建立和正常的通信产生干扰。克服背景光干扰的方法是采用窄带滤光器和缩小接收视场。

4、恶劣天候的干扰

雾、雨、雪、雹等气象条件都会对光的传播造成衰减。典型气象条件下的传播衰减情况如表2所示。克服的方法同大气衰减项。

5、飞行平台的姿态变化

飞行平台的姿态变化会改变光束指向。光束指向的随机变化给捕获、瞄准和跟踪带来困难。即使飞行平台姿态变化小到不影响捕获、瞄准和跟踪，但也会引起接收信号的质量下降。接收信号质量下降的直接表现是信号噪声比的降低和误码率的增加。因此对飞行平台姿态变化和振动要采取措施。克服的方法是用稳定平台和采取隔振措施。

6、飞行平台的相对运动

飞行平台的相对运动将造成光束指向的不确定性。克服此影响的方法是用星历表

和实时的轨道预报，以设置超前瞄准参数。

实现空间光通信系统的关键

技术及难点

1、捕获、跟踪、瞄准技术

快速、精确的捕获、跟踪和瞄准是保证空间远距离光通信的前提，属于空间远距离光通信的核心技术。由于卫星之间的相对运动和为了减少发射功率，激光信标发射采用的是微弧度量级的窄波束，所以更使得捕获、跟踪、瞄准的难度进一步加大。因此，在相距极远的两颗卫星之间，必须保证信标光的发射波束覆盖接收机的接收天线，这样才能保证接收端捕获和跟踪发射端的窄光束，并且非常有必要进行深入透彻的分析空间飞行条件，从而制订合理的、切实可行的ATP方案，同时优化设计，最终实现快速、精确的捕获、跟踪、瞄准，达到或者满足系统所要求的指标。

为了缓解对空间瞄准、捕获和跟踪系统苛刻的要求，同时加快通信链路建立速度，接收机的视场角一定要宽，为几个毫弧度，灵敏度为-110dBW，跟踪精度为几十个毫弧度。然而这样接收的背景辐射功率就会迅速上升，掩埋其中的信标信号。解决这一问题的关键在于在接收机中使用超窄带宽、高透射率的光学滤波器。

系统完成目标捕获后，就要对目标进行瞄准和实时跟踪。通常采用四象限红外探测器QD或Q-APD高灵敏度位置传感器来实现，并配以相应的电子学伺服控制系统。精跟踪要求视场角为几百微弧度，跟踪灵敏度为-90dBW，跟踪精度为几微弧度。

2、发射机激光器超高速率调制技术

目前各国空间激光通信实验的码率都在1Gb/s以上，而且在不断提高，为了增大通信容量，在一些方案中采用同一波长两路旋向相反的圆偏振光同时传送，从而使通信容量加倍。在超高速调制的同时，又要产生足够的功率用于广阔的空间传输距离，因此除了要研究大功率半导体激光器以外，国外还在研究采用激光二极管阵列的方案。

3、高灵敏度且抗干扰的接收机技术

众所周知，光在自由空间的传播，其强度与波长的平方成正比，与传输距离的平方成反比，传输的距离越长，光能量衰减越严重。卫星之间的距离可能会长达40000千米，在这种情况条件下，激光波束的强度会衰减相当严重。过大的损耗使得可接收的信号十分微弱，因此必须研制高灵敏度且抗干扰的接收机才行，否则背景辐射等噪声会使误码率大到不可接收的程度。目前，除了提高检测器本身的灵敏度以外，还正在研究探讨外差接收、纠错编码等途径。

4、精密且有高增益的收发天线技术

为完成系统的双向互逆跟踪，光通信系统采用收发合一天线，隔离度近100%的精密光机组件（又称万向支架）。由于半导体激光器光束质量一般较差，要求天线增益要高，另外，为适应空间系统，天线（包括主副镜，合束，分束滤光片等光学元件）总体应满足结构紧凑、轻巧、稳定可靠的要求。国际上现有系统的天线口径一般为几厘米至25厘米。

5、卫星与地面设备之间的传输技术

空间数据通信网最终还是要与地面设备连接，若卫星与地面设备之间不采用激光通信，便无法和卫星之间通信的高速率匹配，以致卫星-地面链路将成为全球通信整体网络中的制约环节。前面曾经说过，由于激光在大气中传输会受到散射、折射、背景辐射等多种因素的影响，除了衰减大大增强之外，波前畸变、强度抖动、多径效应、云层遮断等现象均可发生，这些不利因素会导致通信距离急剧下降，使光信号受到严重干扰，甚至脱靶。所以，这里再次提出注意，如何保证随机信道条件下系统能正常工作是非常重要的。

6、地面测试以及实验验证技术

发射功率、接收功率、工作波长、天线增益、扫描范围、数据率、误码率等部件和系统性能指标都必须进行测试和实验验证，以此判定设计的正确性、合理性，并外推出在轨运行是否能满足系统指标要求。地面测试和实验验证技术的研究内容一般包含研究测试和实验方法，制订合理的、切实可行的地面测试和实验验证方案以及研制用于地面测试和实验的专用设备。

7、防辐照技术

宇宙空间中的电子、中子、质子等高能粒子时刻都在威胁着空间飞行器的安全。光学天线镀膜、光电敏感器及电子元器件等长期受到高能粒子的轰击，会造成性能下降或者损坏。因此，开展高能粒子分析及制订防辐照措施是提高工作效率与延长寿命所必不可少的。

8、防冷焊技术

我们把活动部件在空间真空或低温条件下发生卡死现象称为冷焊。它是由于活动部件的润滑膜层在空间真空或低温条件下破裂造成的。冷焊将影响系统的可靠性和工作寿命。对空间光通信来说，跟踪系统设计有较大的扫描范围且运动频繁，因此对冷焊问题必须高度重视，分析其产生的机理，找出克服冷焊的措施。

进入20世纪90年代，随着元器件技术的发展和成熟，特别是小卫星技术的迅猛发展，使小卫星的星间光通信受到重视。卫星光通信的出现是现代信息社会对大容量、长距离、低成本通信需求的必然结果，而它的优点也表明了它是能够承担此重任的。我国虽然在卫星光通信方面的研究开展较晚，但由于有国外的经验可借鉴，如果抓住机遇，一定会在较短时间内赶上实际发达国家的研究水平。未来适时研制有光通信系统的卫星星座或通过国际合作租用国际上现成的卫星光通信信道，并建设卫星光通信地球站，以便日后利用卫星光通信系统进行载人航天器对地通信。总之，未来我国卫星光通信系统将是各种通信形式的组合系统。

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