袁鈺斌

摘 要：本文對(duì)近十年的衛(wèi)星激光通信進(jìn)行了一個(gè)梳理研究，并著重介紹了衛(wèi)星激光通信的發(fā)展現(xiàn)狀以及發(fā)展方向，隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)通信的需求與日俱增，希望本文的研究能夠?qū)ξ磥硇l(wèi)星激光通信技術(shù)的發(fā)展有所幫助。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星激光通信；現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)；分析

引言

在激光通信技術(shù)誕生之前的很長一段時(shí)間，人們主要是通過微波通信來進(jìn)行遠(yuǎn)距離的通信，它可以跨越時(shí)空限制，但是缺點(diǎn)也很大：微波頻率作為一種稀缺資源，生產(chǎn)價(jià)格比較昂貴，隨著人們生活水平的提高，對(duì)通信的需求也大大增加這種技術(shù)由于成本高就很難滿足民眾日益增長的需求了。因此，這就需要研究新的通信技術(shù)來代替微波通信，以滿足社會(huì)的各種通信需求，于是衛(wèi)星激光通信技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，逐漸成為高新技術(shù)領(lǐng)域通信傳輸?shù)男屡d技術(shù)。該技術(shù)的可傳輸容量非常大，并且能夠完美融入其他通信技術(shù)，減少中間的解碼過程，它為實(shí)現(xiàn)高速全球無縫連接提供了新的手段。

1 衛(wèi)星激光通信的種類

根據(jù)激光傳輸環(huán)境的不同，可以將衛(wèi)星激光通信分為兩大類：一種是真空環(huán)境下的激光通信，它也叫做星間激光通信，這種通信技術(shù)主要應(yīng)用范圍很窄，主要是在一些高端的特殊的設(shè)備中，因?yàn)樵诔B(tài)環(huán)境下，很難達(dá)到真空的要求，因此使用的范圍較小，局限性較大，例如在衛(wèi)星與衛(wèi)星或者與飛船、航天飛機(jī)等之間的通信屬于真空通信，因?yàn)樘罩袥]有空氣，達(dá)到這一要求相對(duì)簡單；第二種是在大氣環(huán)境下進(jìn)行的激光通信，這種通信技術(shù)應(yīng)用比較廣泛，例如在衛(wèi)星與地面、海上用戶及空中飛行器的連接等，它也叫做星地激光通信。衛(wèi)星激光通信技術(shù)的研發(fā)開始于20世紀(jì)70年代，在當(dāng)時(shí)情況下，人們已經(jīng)意識(shí)到微波通信的局限性，于是開始探索新的通信方式，到了20世紀(jì)90年代才開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究的時(shí)間非常長，因此，該技術(shù)仍然處在發(fā)展階段，現(xiàn)階段的發(fā)展?fàn)顩r仍然有前進(jìn)的空間，而且未來的發(fā)展前景也是非常廣闊的①。

2 衛(wèi)星激光通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

衛(wèi)星激光通信技術(shù)的發(fā)展時(shí)間非常短暫，所以，該技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用還很不成熟也很難運(yùn)用到實(shí)踐中去，還存在許多問題亟待解決。而美國在該技術(shù)領(lǐng)域做了很多有益的探索。不可否認(rèn)的是，美國在衛(wèi)星激光通信技術(shù)領(lǐng)域始終走在世界前列，他們?cè)谶@一領(lǐng)域不但研究時(shí)間長、投入大，而且取得的成績也是最顯著的。早在1994年，美國研發(fā)中心就開始對(duì)深空通信進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究并且仔細(xì)論證，希望能找到攻克深空通信的核心技術(shù)，它們首先綜合分析了激光同X波段/Ka波段通信的效費(fèi)比，最終的結(jié)果顯示激光技術(shù)在進(jìn)行大數(shù)據(jù)量的傳輸作用方面存在明顯的優(yōu)勢(shì)，并且這種優(yōu)勢(shì)非常明顯。

在之后的研究中，美國研發(fā)中心開始在激光調(diào)制/檢測(cè)的方法方面進(jìn)行了細(xì)致的研究，研發(fā)中心最后明確了發(fā)展的方向，那就是以脈沖位置調(diào)制及其相關(guān)改進(jìn)調(diào)制的方式當(dāng)做重點(diǎn)的發(fā)展方向。美國研發(fā)中心也進(jìn)行了深空數(shù)據(jù)的星載中繼和地面站直接接收方案比較，結(jié)果表顯示，要想實(shí)現(xiàn)不間斷地深空激光鏈路的數(shù)據(jù)中繼，單個(gè)星載中繼站與多個(gè)地面站投資成本是差不多的。但是多地面站聯(lián)網(wǎng)工作的優(yōu)勢(shì)較為突出，例如它可以通過分散部署降低天氣對(duì)激光通信的影響，進(jìn)而能夠使其達(dá)到與星載中繼站的方式相同的效果，同時(shí)，這種技術(shù)在天氣情況非常好的前提下，能夠在同一時(shí)間對(duì)多個(gè)深空探測(cè)器進(jìn)行精確的跟蹤，提高工作的效率。因此，美國在該技術(shù)上的研發(fā)重點(diǎn)是用于深空通信的多光學(xué)地面站。研發(fā)中心在2009年時(shí)，又進(jìn)行了實(shí)地實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了3路上行信號(hào)光當(dāng)做通信的載體，這些激光的最大發(fā)射功率超過20mW，功率非常強(qiáng)，在其他國家很難達(dá)到這一功率，但是，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)并沒有取得非常好的效果，因?yàn)樾l(wèi)星上的平均接收功率還是非常低，只有不到-70dBm，很難達(dá)到通信的要求，而且，信號(hào)的強(qiáng)度只能達(dá)到精跟蹤傳感器的靈敏度。因此，上行鏈路只能維持基本的光束跟蹤，并不能保證碼元同步，常常會(huì)出現(xiàn)信號(hào)太弱導(dǎo)致時(shí)鐘同步失鎖的情況發(fā)生，造成通信中斷②。

3 衛(wèi)星激光通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

根據(jù)最新的研究結(jié)果可以看出，目前衛(wèi)星激光通信技術(shù)的發(fā)展仍存在很多技術(shù)瓶頸亟待解決，發(fā)展前景不容樂觀。其中一個(gè)很重要的原因就是激光功率強(qiáng)度在未到達(dá)衛(wèi)星是就已經(jīng)衰減大半，衰減的同時(shí)會(huì)損失大量的能量，那么到達(dá)衛(wèi)星的激光就很難滿足保存通信數(shù)據(jù)的需求，更別談提供通信的功能了。美國的激光發(fā)射設(shè)備公認(rèn)為世界上最先進(jìn)的設(shè)備之一，具有一米以上的超大孔徑天線，具備完善的光機(jī)電一體配套設(shè)施，并配備非常精密的測(cè)控系統(tǒng)，配套設(shè)備非常完善。但是，即使配備這些先進(jìn)的設(shè)備，也難以保證衛(wèi)星穩(wěn)定接收到來自地面的信號(hào)。因?yàn)榧す庠趶牡孛娴竭_(dá)衛(wèi)星的過程中會(huì)遇到很多介質(zhì)阻礙，這些介質(zhì)會(huì)強(qiáng)力阻礙激光到達(dá)衛(wèi)星的速度，這是因?yàn)榧す庠诖┰娇諝饨橘|(zhì)時(shí)，由于摩擦作用會(huì)損失掉大量的能量，能量損耗過大，激光的強(qiáng)度就會(huì)大幅削弱，相反，激光在從衛(wèi)星達(dá)到地面的過程中，損失的能量較小，因?yàn)?，在太空中的介質(zhì)幾乎為零，損失的能量可以忽略不計(jì)，直到接近地面時(shí)才會(huì)有大氣衰減和相位畸變。所以，解決激光通信難題的關(guān)鍵是減少地面到衛(wèi)星激光能量的衰減，提高傳輸效率，保證激光強(qiáng)度。衛(wèi)星激光通信技術(shù)與十年前相比，已經(jīng)有了巨大的進(jìn)步，發(fā)展得較為成熟。借助衛(wèi)星激光鏈路組建空間骨干網(wǎng)具備了初步的硬件條件，空間組網(wǎng)是衛(wèi)星激光通信下一步發(fā)展趨勢(shì)。

4 結(jié)語

目前，衛(wèi)星激光通信技術(shù)的發(fā)展已較為成熟，相信只要能夠攻克地面到衛(wèi)星激光能量衰減的技術(shù)瓶頸，該技術(shù)的應(yīng)用一定會(huì)早日鋪開并大范圍推廣，需要注意的是該技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是建立空間組網(wǎng)，使得激光在更加有效的環(huán)境下進(jìn)行傳輸。

參考文獻(xiàn)

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