羅建將 李洪祚 唐雁峰 郝子強(qiáng) 丁長(zhǎng)虹，2

（1 長(zhǎng)春理工大學(xué)空間光電技術(shù)研究所，長(zhǎng)春 130022）（2 空軍航空大學(xué)，長(zhǎng)春 130022）

1 引言

目前，深空探測(cè)中數(shù)據(jù)傳輸采用射頻通信方法，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)逐漸降低，已不能滿足深空探測(cè)中對(duì)高速率、安全、大容量傳輸數(shù)據(jù)的任務(wù)需求。而激光通信具有大容量、保密性強(qiáng)、輕便、小型化等優(yōu)點(diǎn)，且滿足深空高速率通信要求，既能減小星載載荷體積、功耗，又可提高深空探測(cè)器的使用壽命，因而，近年來(lái)作為深空探測(cè)的重要信息傳輸手段得到了大力發(fā)展，成為大幅提高深空測(cè)控通信性能的新熱門技術(shù)。本文介紹了深空激光通信的發(fā)展，對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，可為中國(guó)發(fā)展深空激光通信技術(shù)提供一定的參考。

2 發(fā)展情況

深空激光通信技術(shù)的發(fā)展不是一步到位的。多國(guó)科學(xué)家在地面、大氣層和近太空進(jìn)行了大量激光通信驗(yàn)證試驗(yàn)，為深空激光通信的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)支持。歐洲航天局（ESA）早期致力于CO2激光器的無(wú)線通信研究，使調(diào)制速率達(dá)到了數(shù)吉比特每秒的量級(jí)；此后又研制了“半導(dǎo)體激光星間鏈路實(shí)驗(yàn)”（SILEX）衛(wèi)星，該衛(wèi)星與日本“軌道間光通信工程試驗(yàn)衛(wèi)星”（OICETS）完成了從星間單工到雙工的上百次通信試驗(yàn)，充分驗(yàn)證了不同軌道衛(wèi)星之間激光通信的可行性。美國(guó)在衛(wèi)星激光通信方面的試驗(yàn)成果并不多，但是在深空激光通信方面一直處于領(lǐng)先水平。下面主要對(duì)美國(guó)深空激光通信的發(fā)展加以概述。

美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）從20世紀(jì)70年代開始研究高碼速率的地球靜止軌道衛(wèi)星之間（GEO-GEO）光連接和低碼速率的深空光中繼技術(shù)。1992年，美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）開展了第1個(gè)深空光通信試驗(yàn)——“伽里略光學(xué)實(shí)驗(yàn)”（GOPEX）。這個(gè)試驗(yàn)是在飛往木星的“伽利略”（Galileo）探測(cè)器上進(jìn)行的，鏈路的最遠(yuǎn)距離為6 000 000km，其中激光脈沖重復(fù)頻率為10 Hz，波段為532nm。1996年，JPL又啟動(dòng)了“先進(jìn)通信系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)”（ACBS）研究，得出的結(jié)論是，“隨著探測(cè)任務(wù)次數(shù)的增加，光學(xué)通信系統(tǒng)是節(jié)約成本的必然選擇”［1］。2000年，JPL 針對(duì)NASA 的技術(shù)開發(fā)計(jì)劃，研制了功能齊全的深空光收發(fā)機(jī)（DSOR），它有2種不同的設(shè)計(jì)參數(shù)，以支持深空光通信的需求。第1 種的通信距離超過6AU（898 000 000km），功耗小于50 W。其下行鏈路調(diào)制速率超過100kbit／s，波段為1060nm；上行鏈路調(diào)制速率超過2kbit／s，波段為532nm。第2種的通信距離為2AU，調(diào)制速率為30kbit／s，下行鏈路波段為1064nm，脈沖寬度為25ns，輸出功率為1 W。2005年，JPL 設(shè)計(jì)的光通信發(fā)射機(jī)，其重復(fù)頻率為3～30 MHz，采用脈沖位置調(diào)制（PPM），脈沖寬度為2ns，峰值功率為1．67kW（3MHz時(shí)），平均功率為10W，波長(zhǎng)小于1064nm。在此基礎(chǔ)上，JPL又在2007年設(shè)計(jì)出另外一種光通信發(fā)射機(jī)，其重復(fù)頻率為10～100MHz，采用PPM，脈沖寬度小于1ns，峰值功率大于1000 W。另外，NASA 還開展了“火星激光通信驗(yàn)證”（MLCD）系統(tǒng)研究。該系統(tǒng)由NASA、JPL 和麻省理工學(xué)院的林肯實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合研制，目標(biāo)是建立火星與地球行星距離的激光通信。它采用PPM，設(shè)計(jì)通信速率為1～100 Mbit／s［2-3］。

3 關(guān)鍵技術(shù)

激光通信的關(guān)鍵技術(shù)對(duì)深空通信性能的提高尤為重要。與近地空間激光通信相比，深空激光通信技術(shù)的要求不同或更加苛刻。中國(guó)的深空激光通信要實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，應(yīng)開展以下幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的研究。

3．1 高精度捕獲跟蹤瞄準(zhǔn)（ATP）技術(shù)

美國(guó)JPL 采用獨(dú)特的ATP 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在整個(gè)太陽(yáng)系的精確瞄準(zhǔn)。在火星和木星的探測(cè)任務(wù)中，ATP技術(shù)是通過地球圖像跟蹤實(shí)現(xiàn)的，并常常采用激光信標(biāo)、地球-月球圖像和地球-恒星圖像進(jìn)行校正。高相角時(shí)，地球圖像無(wú)法提供高速率跟蹤所需的足夠亮度，此時(shí)可利用慣性傳感器（加速度表）測(cè)量，以更高的速率在天體參考更新值之間推測(cè)、跟蹤信息。

ATP技術(shù)要求克服航天器姿態(tài)變化和平臺(tái)抖動(dòng)影響，并考慮在瞄準(zhǔn)時(shí)提前角修正的條件下，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)跟蹤誤差達(dá)到微弧度量級(jí)的高精度跟蹤瞄準(zhǔn)。對(duì)于深空激光通信，由于航天器距離太遠(yuǎn)，信標(biāo)光極其微弱，難以作為ATP 的基準(zhǔn)信號(hào)，為此，須要研究以地球、恒星等自然天體為基準(zhǔn)信號(hào)的ATP 技術(shù)。采用自然天體作為深空激光通信系統(tǒng)的信標(biāo)時(shí)，要精確知道選用J2000地心赤道坐標(biāo)系作為慣性坐標(biāo)系時(shí)自然天體在J2000地心天球坐標(biāo)系中的赤經(jīng)和赤緯，可利用星敏感器儲(chǔ)存的導(dǎo)航星表，基于星對(duì)角間隔的識(shí)別方法完成信標(biāo)的識(shí)別。星敏感器的測(cè)量精度受到其分辨率、光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量、信號(hào)處理電路帶入的噪聲、CCD 背景噪聲、軟件內(nèi)插算法精度等多種因素的影響，因此，要成功建立深空激光通信的鏈路，就要不斷提高星敏感器的測(cè)量精度［4］。此外，要精確定位中繼衛(wèi)星，完成捕獲、跟蹤與瞄準(zhǔn)，保證通信的暢通有效。圖1 為NASA 的“激光通信中繼驗(yàn)證”（LCRD）光學(xué)模塊結(jié)構(gòu)圖［5］。其中，輔助電路和平衡架應(yīng)保證光學(xué)窗口的有效工作。

圖1 NASA 的LCRD 光學(xué)模塊Fig．1 Optical modules of NASA LCRD

3．2 望遠(yuǎn)鏡接收技術(shù)

深空激光通信的接收望遠(yuǎn)鏡口徑要達(dá)到10米量級(jí)，并具有良好的雜光抑制能力，以保證其與太陽(yáng)的夾角很小時(shí)（小于3°）能夠可靠接收。為了進(jìn)一步提高對(duì)遠(yuǎn)距離微弱信號(hào)的接收能力，須發(fā)展可取代大口徑望遠(yuǎn)鏡的小口徑望遠(yuǎn)鏡陣列技術(shù)。小口徑望遠(yuǎn)鏡陣列可有效增加口徑效率，提供超過現(xiàn)有最大單口徑望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)接收能力。小口徑望遠(yuǎn)鏡陣列技術(shù)還能提高系統(tǒng)的可靠性、可操作性和任務(wù)計(jì)劃的靈活性，在需要時(shí)能通過望遠(yuǎn)鏡組合為特定任務(wù)提供支持，提高資源使用率。此外，小口徑望遠(yuǎn)鏡更容易建造，可以實(shí)現(xiàn)批量化、自動(dòng)化，從而能降低成本。與建造更多的10m 或更大口徑的望遠(yuǎn)鏡相比，采用大規(guī)模小口徑望遠(yuǎn)鏡陣列能獲得更好的性價(jià)比。圖2為L(zhǎng)CRD 地面收發(fā)站，它就是采用小口徑望遠(yuǎn)鏡陣列實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的發(fā)射和接收的。LCRD 地面收發(fā)站通信望遠(yuǎn)鏡由發(fā)射鏡和接收鏡復(fù)合組成，發(fā)射鏡包括4臺(tái)集中于轉(zhuǎn)臺(tái)中上部、直徑為15cm、功率為10 W、速率為10～20 Mbit／s、波長(zhǎng)為1558nm 的光學(xué)發(fā)射鏡，以及4臺(tái)分布于四周、直徑為40cm、接收速率可達(dá)40～622 Mbit／s的奈米波段探測(cè)鏡。

圖2 LCRD 地面收發(fā)站Fig．2 Transmitting and receiving ground station of LCRD

3．3 高功率、高速率激光器和高效率調(diào)制編碼技術(shù)

為了滿足遠(yuǎn)距離要求，必須提高激光器的發(fā)射功率。為了提高通信距離，深空激光通信采用PPM。例如：NASA進(jìn)行的MLCD系統(tǒng)研究，目標(biāo)是建立火星與地球行星距離的激光通信，就采用PPM，設(shè)計(jì)通信速率為1～100 Mbit／s。PPM 技術(shù)要獲得高速率，必須提高激光脈沖的重復(fù)頻率；因此，研發(fā)符合深空通信特點(diǎn)、編譯碼復(fù)雜度較低的逼近香農(nóng)極限信道編譯碼技術(shù)，在深空通信中尤為重要。Turbo 碼具有逼近香農(nóng)容量極限的性能，已成為空間遙感系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，非常適合于深空通信；但針對(duì)深空通信，所需的實(shí)用編解碼技術(shù)還存在許多有待攻克的難點(diǎn)［6-8］。表1總結(jié)了不同類型激光器的優(yōu)缺點(diǎn)。星地上行數(shù)據(jù)可用固體激光器光源，下行數(shù)據(jù)則用半導(dǎo)體激光器光源，星間鏈路中多用半導(dǎo)體激光器光源。目前，光纖激光器優(yōu)勢(shì)顯著，應(yīng)用越來(lái)越多。

表1 不同類型激光器的優(yōu)缺點(diǎn)Table 1 Advantages and disadvantages of various types of laser

3．4 深空中繼通信技術(shù)

JPL等機(jī)構(gòu)提出了建立“星際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)”（IPN）的設(shè)想，以解決深空探測(cè)和通信中的各種問題［9］?！稗D(zhuǎn)型衛(wèi)星”（TSAT）通信計(jì)劃的目標(biāo)是衛(wèi)星與高空飛機(jī)間的數(shù)據(jù)率達(dá)到6Gbit／s，星間激光通信達(dá)到20Gbit／s，并將于2015年發(fā)射一顆激光通信演示衛(wèi)星，進(jìn)行為期一年的演示驗(yàn)證試驗(yàn)。圖3（a）為深空鏈路采用PPM 直接或延時(shí)傳送數(shù)據(jù)，圖3（b）為應(yīng)用跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星采用差分移相鍵控（DPSK）和PPM 相結(jié)合的方法傳送數(shù)據(jù)。表2總結(jié)了國(guó)外衛(wèi)星中繼發(fā)展情況?？梢钥闯觯磥?lái)采用中繼平臺(tái)、進(jìn)行鏈路數(shù)據(jù)傳輸是深空激光通信的發(fā)展方向。

圖3 深空激光通信鏈路與中繼通信鏈路比較Fig．3 Comparison between deep space laser communication link and relay communication link

表2 國(guó)外衛(wèi)星中繼發(fā)展計(jì)劃Table 2 Satellite relay development plan

3．5 復(fù)雜深空環(huán)境下微弱信號(hào)探測(cè)技術(shù)

根據(jù)中國(guó)宇航學(xué)會(huì)深空探測(cè)技術(shù)專業(yè)委員會(huì)給出的試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)，激光鏈路的距離為5×107～4×108km（地面），激光發(fā)散角為5″，（地面）激光脈沖發(fā)射能量為300mJ，星上接收面積為8000mm2，星上接收器光電子數(shù)為0．7～35個(gè)，采用時(shí)間濾波及偽隨機(jī)碼測(cè)試，計(jì)時(shí)準(zhǔn)確度為10ps。在此技術(shù)指標(biāo)下，光接收機(jī)收到的信號(hào)十分微弱，而且伴有高背景噪聲場(chǎng)干擾。為了快速、精確地捕獲目標(biāo)和接收信號(hào)，可以提高接收機(jī)的靈敏度，或者對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行處理。在光信道上采用光窄帶濾波器（干擾濾光片或原子濾光器等），以抑制背景雜散光的干擾；在電信道上則采用微弱信號(hào)檢測(cè)與處理技術(shù)。這就需要在高靈敏度探測(cè)器、窄帶濾光片、微弱信號(hào)提取技術(shù)和相干接收技術(shù)等方面開展研究工作［10］。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了國(guó)外深空激光通信技術(shù)的發(fā)展情況，總結(jié)并分析了深空激光通信的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。針對(duì)中國(guó)目前的技術(shù)水平，建議突破關(guān)鍵器件（如激光器和高速率調(diào)制器）的研究瓶頸；深入研究新型編碼算法，滿足深空調(diào)制的高速率、低誤碼率的要求；進(jìn)一步提高現(xiàn)有星歷表的精度，在ATP 技術(shù)中借鑒JPL 的技術(shù)，運(yùn)用多種方法實(shí)現(xiàn)高精度的ATP；應(yīng)著手進(jìn)行大規(guī)模小口徑望遠(yuǎn)鏡的系統(tǒng)研制和選址工作，在地面站的選址上應(yīng)加強(qiáng)與國(guó)外合作，實(shí)現(xiàn)全方位、多角度的跟蹤探測(cè)，為進(jìn)一步開展深空激光通信發(fā)揮作用。

（References）

［1］赫馬提·H．深空光通信［M］．王平，孫威，譯．北京：清華大學(xué)出版社，2009：68-87

Hemmati H．Deep space optical communications［M］．Wang Ping，Sun Wei，translated．Beijing：Tsinghua University Press，2009：68-87（in Chinese）

［2］馬晶，徐科華，譚立英，等．美國(guó)火星激光通信系統(tǒng)分析［J］．空間科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，26（5）：364-369

Ma Jing，Xu Kehua，Tan Liying，et al．Analysis for Mars laser communications system in USA ［J］．Chinese Journal of Space Science，2006，26（5）：364-369（in Chinese）

［3］徐科華，馬晶，譚立英．伽利略光學(xué)實(shí)驗(yàn)分析［J］．宇航學(xué)報(bào)，2006，27（2）：312-315

Xu Kehua，Ma Jing，Tan Liying．Analysis for Galileo optical experiment［J］．Journal of Astronautics，2006，27（2）：312-315（in Chinese）

［4］鄭勝，吳偉仁，田金文，等．一種基于三角形幾何結(jié)構(gòu)的星圖識(shí)別算法［J］．光學(xué)技術(shù)，2004，30（1）：71-73

Zheng Sheng，Wu Weiren，Tian Jinwen，et al．A novel geometric structure-based autonomous star pattern identification algorithm ［J］．Optical Technique，2004，30（1）：71-73（in Chinese）

［5］NASA．Overview of NASA’s Laser Communications Relay Demonstration［R］．Washington D．C．：NASA，2012

［6］高翔．深空通信解調(diào)技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)［D］．北京：中國(guó)科學(xué)院研究生院，2010：25-27

Gao Xiang．Research and implementation of deep space communication demodulation technology ［D］．Beijing：Graduate University of Chinese Academy of Sciences，2010：25-27（in Chinese）

［7］Comparini M C，Tiberis F D，Novello R．Advances in deep-space transponder technology［C］／／Proceedings of IEEE．New York：IEEE，2007：1994-2008

［8］韓鴻碩，陳杰．21 世紀(jì)國(guó)外深空探測(cè)發(fā)展計(jì)劃及進(jìn)展［J］．航天器工程，2008，17（3）：1-22

Han Hongshuo，Chen Jie．21st century foreign deep space exploration development plans and their progresses［J］．Spacecraft Engineering，2008，17（3）：1-22（in Chinese）

［9］Grein M E，Kerman A J，Dauler E A，et al．Design of aground-based optical receiver for the lunar laser communications demonstration［C］／／Proceedings of Space Optical Systems and Applications（ICSOS）2011International Conference．New York：IEEE，2011：78-82

［10］Wang J P，Magliocco R J，Spellmeyer N W，et al．A consolidated multi-rate burst-mode DPSK transmitter using a single Mach-Zehnder modulator［C］／／Proceedings of Optical Fiber Communication Conference and Exposition（OFC／NFOEC），2011and the National Fiber Optic Engineers Conference．New York：IEEE，2011