隨著高分相機(jī)、合成孔徑雷達(dá)和大容量衛(wèi)星通信等空間技術(shù)的發(fā)展，各種航天器的信息傳輸量呈指數(shù)級增長，目前衛(wèi)星主要采用的以微波為主的通信手段已難滿足相應(yīng)需求，促使業(yè)界向激光通信方向發(fā)展?？臻g激光通信是一種利用激光束作為載波在空間進(jìn)行圖像、語音、信號等信息傳遞的通信方式，具有傳輸速率快、通信容量大、抗干擾能力強(qiáng)、安全保密性高、系統(tǒng)終端體積小/質(zhì)量輕/功耗低等優(yōu)勢，成為未來衛(wèi)星通信鏈路的發(fā)展趨勢之一，并引發(fā)各航天強(qiáng)國的研究熱潮。

截至2018年8月，中國已經(jīng)先后發(fā)射了5顆光學(xué)通信實(shí)驗衛(wèi)星，分別是海洋二號衛(wèi)星（2011年8月16日發(fā)射）、墨子號量子科學(xué)實(shí)驗衛(wèi)星（2016年8月16日發(fā)射）、實(shí)踐十三號衛(wèi)星（2017年4月12日發(fā)射）和北斗三號全球系統(tǒng)M11和M12衛(wèi)星（2018年8月25日發(fā)射）。美國、歐洲、日本以及俄羅斯等均在衛(wèi)星激光通信領(lǐng)域開展相關(guān)技術(shù)研究和在軌試驗，逐步突破了衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)所涉及的各項關(guān)鍵技術(shù)，不斷推動衛(wèi)星激光通信邁向工程實(shí)用化。本文總結(jié)梳理了全球已經(jīng)完成的典型衛(wèi)星激光通信在軌試驗，如表1所示，重點(diǎn)介紹2017年至2018上半年國外衛(wèi)星激光通信的最新進(jìn)展。

1.美國加速發(fā)展空間激光通信技術(shù)

美國是世界上開展空間激光通信最早的國家，主要研究部門是美國國家航空航天局（NASA）和美國空軍，而隨著商業(yè)航天的興起，美國已有數(shù)家初創(chuàng)公司開始開展衛(wèi)星激光通信業(yè)務(wù)。

NASA選擇噴氣推進(jìn)實(shí)驗室開展衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)的研制，于2000年完成了激光通信演示系統(tǒng)(OCD)試驗。美國空軍的戰(zhàn)略導(dǎo)彈防御組織選擇麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗室開展空間激光通信的研發(fā)工作，所研制的激光通信終端已完成作用距離42km、信息率1Gbps、誤碼率為10-6的全天候跟瞄試驗。美國已完成的衛(wèi)星激光通信試驗如表1所示，此外美國曾提出轉(zhuǎn)型衛(wèi)星通信系統(tǒng)（TSAT）計劃，通過高速激光星間鏈路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)，傳輸速率可達(dá)20Gbps，并可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與飛機(jī)的激光通信鏈路，傳輸速率可達(dá)2Gbps。但由于財政經(jīng)費(fèi)問題，TSAT計劃于2009年被美國國防部取消。

近兩年來，商業(yè)航天公司促進(jìn)了衛(wèi)星激光通信技術(shù)的發(fā)展，NASA也積極推動衛(wèi)星激光通信技術(shù)的研發(fā)與驗證，為未來海量空間數(shù)據(jù)的傳輸尋求解決方案。綜合來看，美國在衛(wèi)星激光通信技術(shù)領(lǐng)域有如下7個方面的進(jìn)展。

1.1 BridgeSat公司衛(wèi)星激光通信新進(jìn)展

2018年3月12日，NASA與美國BridgeSat公司簽署衛(wèi)星激光鏈路開發(fā)協(xié)議，該事件是美國商業(yè)衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)誕生的里程碑，未來該系統(tǒng)將滿足超高速、大寬帶、全球性、安全性、可靠性等衛(wèi)星通信應(yīng)用需求。BridgeSat公司已于2018年3月開設(shè)了位于美國科羅拉多州丹佛市的新網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中心，將提供完全自動化的網(wǎng)絡(luò)控制和數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)控，還可執(zhí)行全天候、多氣象條件的光學(xué)觀測任務(wù)。

2018年5月21日，BridgeSat公司與芬蘭對地觀測運(yùn)營商ICEYE公司簽署協(xié)議，BridgeSat公司將向ICEYE公司提供緊湊型衛(wèi)星激光通信終端和地面運(yùn)維及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（圖1），此類緊湊型激光終端從低地球軌道（LEO）衛(wèi)星下行鏈路傳輸速率可高達(dá)10Gbps，而終端質(zhì)量卻不到2kg。BridgeSat公司通過天地綜合通信網(wǎng)絡(luò)為用戶提供各種服務(wù)，融合激光和射頻技術(shù)開展協(xié)同工作，向各類型用戶提供質(zhì)美價廉的通信和數(shù)傳服務(wù)。

表1 全球典型衛(wèi)星激光通信在軌試驗歷程

1.2 低軌寬帶星座激光通信鏈路

近年隨著低軌寬帶互聯(lián)網(wǎng)星座計劃的興起，為了滿足大容量、大帶寬、高速率的星間通信，部分星座計劃采用激光通信鏈路。根據(jù)已公開的資料顯示，美國的LeoSat星座將采用激光星間鏈路，建立一個空間激光骨干網(wǎng)；SpaceX公司的Starlink星座預(yù)計采用激光星間鏈路實(shí)現(xiàn)空間組網(wǎng)，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化管理以及服務(wù)連續(xù)性的目標(biāo)；加拿大的Telesat星座也計劃設(shè)置激光星間鏈路。本文將簡要介紹LeoSat星座的情況。

Leosat星座由108顆衛(wèi)星組成（圖2），部署在1400公里的低地球軌道上。每顆衛(wèi)星設(shè)置4條星間鏈路，其中與同軌道面的衛(wèi)星建立2條星間鏈路，通信距離約為2700km；與異軌道面間的衛(wèi)星建立2條動態(tài)星間鏈路。每顆衛(wèi)星在四角分布設(shè)置4個激光通信終端，分別建立4條星間鏈路，全部使用衛(wèi)星激光通信，每條鏈路通信速率可達(dá)10Gps，從而實(shí)現(xiàn)高速星間數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。LeoSat星座的衛(wèi)星由法國TAS公司研制，將于2019年發(fā)射試驗衛(wèi)星進(jìn)行在軌技術(shù)驗證，從2021年開始進(jìn)行星座部署并逐步完成全球組網(wǎng)。

可以說構(gòu)建基于全激光通信的低軌衛(wèi)星通信骨干網(wǎng)的難度巨大，是衛(wèi)星通信技術(shù)發(fā)展的重大飛躍，將實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高速率的數(shù)據(jù)服務(wù)愿景。

1.3 NASA成功發(fā)射2顆OCSD衛(wèi)星

2017年11月，NASA的兩個創(chuàng)新型1.5U立方體衛(wèi)星成功發(fā)射，這兩個立方體衛(wèi)星屬于NASA的“激光通信與傳感器演示”（OCSD）項目（圖3），此次任務(wù)主要驗證未來小型衛(wèi)星的高速率激光數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，以及小衛(wèi)星間的近距離操作能力。衛(wèi)星的星地鏈路上行速率10kbps，下行速率可達(dá)5～200Mbps。OCSD后續(xù)還將進(jìn)行一系列激光通信和交會對接試驗，將通信速率提高到2.5 Gbps。OCSD項目曾于2015年發(fā)射立方體衛(wèi)星，但因衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)問題，未能完成星上激光通信載荷的測試。

OCSD衛(wèi)星的激光通信系統(tǒng)與其他衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)不同，最顯著的差異表現(xiàn)在它沒有瞄準(zhǔn)、捕獲與跟蹤子系統(tǒng)，激光終端的光束指向調(diào)整需要依靠控制整個衛(wèi)星的姿態(tài)來完成光束實(shí)現(xiàn)對準(zhǔn)，這使得OCSD衛(wèi)星的激光系統(tǒng)比以往激光系統(tǒng)都更為緊湊，但使得衛(wèi)星自身的姿態(tài)控制技術(shù)成為衛(wèi)星研制的關(guān)鍵難點(diǎn)之一。

1.4 LCRD項目進(jìn)入集成與測試階段

NASA為提升衛(wèi)星通信能力，已將激光中繼衛(wèi)星納入到下一代通信導(dǎo)航架構(gòu)之中，并計劃于2019年發(fā)起一個新的“激光通信中繼演示”（LCRD，圖4）項目，以突破深空激光通信技術(shù)及全球化組網(wǎng)技術(shù)。早在2013年，作為LCRD項目的先期預(yù)演，NASA成功驗證了從月球進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)募す馔ㄐ旁囼灒↙LCD），創(chuàng)下622 Mbps 的下載速率紀(jì)錄。

圖1 BridgeSat公司全球地面網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃示意圖

圖2 Leosat星座組網(wǎng)及衛(wèi)星在軌設(shè)想圖

2017年2月，NASA的LCRD衛(wèi)星成功通過關(guān)鍵設(shè)計評審（CDR），并已于2018年開始進(jìn)入集成與測試階段，預(yù)計將于2019年開始項目的新階段。LCRD衛(wèi)星包含2路激光通信系統(tǒng)和1個超寬帶微波數(shù)傳系統(tǒng)。其中，1路激光通信系統(tǒng)供用戶使用，另1路激光通信系統(tǒng)作為接收干線與地面基站連接；為克服大氣云層對激光通信的干擾，設(shè)計了1個超寬帶微波數(shù)傳系統(tǒng)，作為星地激光接收干線的備份，確保星地數(shù)據(jù)傳輸能力。相應(yīng)地，該項目須設(shè)置3個地面站點(diǎn)，即地面用戶激光站、接收干線激光站和高速微波地面站，其中接收干線激光站與高速微波地面站將建立可靠連接，確保數(shù)據(jù)高速穩(wěn)定傳輸。MIT林肯實(shí)驗室將承研衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)。

LCRD項目將驗證激光與微波通信的數(shù)據(jù)中繼能力，計劃于2018年在兩個地面終端之間進(jìn)行中繼數(shù)據(jù)試驗，于2019年進(jìn)行從國際空間站（位于LEO）通過地球同步軌道（GEO）衛(wèi)星上的LCRD終端完成數(shù)據(jù)中繼回傳試驗。地面站與GEO衛(wèi)星上LCRD終端之間將支持用戶速率高達(dá)1.244Gbps的雙工通信，國際空間站到GEO衛(wèi)星的上行數(shù)據(jù)速率達(dá)32Mbps。

圖3 OCSD-2（1.5U）衛(wèi)星工作示意圖

LCRD項目的其他試驗還包括：測試可供位于不同地點(diǎn)的多個用戶使用的數(shù)據(jù)多路傳輸技術(shù)；測試數(shù)字視頻錄像的存儲/傳輸技術(shù)，將視頻類信息加以存儲并以較低數(shù)據(jù)率進(jìn)行中繼傳輸；測試所有不同天氣條件和時間下的激光通信性能。

1.5 啟動激光增強(qiáng)型任務(wù)與導(dǎo)航服務(wù)項目

2017年4月，NASA啟動一項被稱為“激光增強(qiáng)型任務(wù)與導(dǎo)航服務(wù)”（LEMNOS）的計劃，旨在為執(zhí)行深空任務(wù)的下一代“獵戶座”（Orion）宇宙飛船研發(fā)激光通信系統(tǒng)，能夠向宇航員提供最優(yōu)的快速通信服務(wù)，使其與地面及時取得聯(lián)系。

NASA認(rèn)為激光通信將徹底改變低地球軌道外飛船的數(shù)據(jù)回傳手段，將外層空間通信范圍進(jìn)一步拓展，LEMNOS項目支持的數(shù)據(jù)傳輸速率將至少達(dá)到80Mbps。LEMNOS項目將于2021年獵戶座飛船飛躍月球期間進(jìn)行首次測試，若任務(wù)進(jìn)展順利，NASA將在后續(xù)任務(wù)中部署更多的激光通信終端，以支持飛船的空間探索任務(wù)。

1.6 DSOC項目激光終端技術(shù)成熟度達(dá)到6級

圖4 LCRD衛(wèi)星在軌示意圖

圖5 DSOC項目在軌示意圖

LLCD項目的成功為NASA開展深空激光通信研究注入了新動力。2017年末，由NASA支持的、噴氣推進(jìn)實(shí)驗室主導(dǎo)的深空激光通信（DSOC，圖5）項目正在開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)，其激光終端的技術(shù)成熟度達(dá)到6級，這意味著它已經(jīng)是一個功能完整的系統(tǒng)原型或具有代表性的模型。DSOC系統(tǒng)項目計劃于2023年正式啟動，它是NASA太空探索任務(wù)的重要組成部分，旨在研究激光通信對于深空任務(wù)中，數(shù)據(jù)速率、系統(tǒng)空間占用和功耗等指標(biāo)能力改進(jìn)。 按照計劃，DSOC項目將在2018-2019年進(jìn)行地面測試，2023年搭載“普賽克”（Psyche）飛行器向一顆金屬小行星進(jìn)發(fā)，開展深空激光通信技術(shù)驗證。

DSOC將以至少250Mbps的速率從火星回傳數(shù)據(jù)，通信距離達(dá)6.3億公里，質(zhì)量預(yù)計為28kg，功率約76W，正在研制的地面光學(xué)天線口徑達(dá)12m。與LLCD相比，DSOC還需突破更多的關(guān)鍵技術(shù)，如千倍以上的傳輸距離、千瓦級地面發(fā)射功率、宇宙飛船終端光子計數(shù)探測器陣列、借助慣性穩(wěn)定的波束指向、輕型航天器擾動隔離技術(shù)、高效率的星載激光發(fā)射機(jī)、下行光束較大提前瞄準(zhǔn)角等。此外，NASA將在火星2020探測器上安裝小型激光通信終端，其質(zhì)量小于6kg，功耗低于50W，發(fā)射孔徑5cm，探測器與火星軌道飛行器之間的通信速率為20Mbps，與地球地面站之間的通信速率為200kbps。

圖6 IROC衛(wèi)星在軌示意圖

1.7 開展一體化射頻與激光通信研究

NASA格倫研究中心團(tuán)隊正在開展“一體化射頻與激光通信”（IROC）概念研究，計劃向火星軌道發(fā)送一顆激光通信中繼衛(wèi)星（圖6），用于接收遠(yuǎn)距離航天器的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)中繼至地球。IROC系統(tǒng)將包含一個瞄準(zhǔn)天體的 3 米射頻網(wǎng)格天線和一個 30厘米的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，還可為Ka頻段和激光通信共享一個由軟件定義的集成調(diào)制解調(diào)器。IROC系統(tǒng)使用射頻和激光集成通信系統(tǒng)，既可為使用激光通信系統(tǒng)的新型航天器提供服務(wù)，也可為使用射頻通信系統(tǒng)的傳統(tǒng)航天器提供服務(wù)，將有效促進(jìn)NASA所有空間資產(chǎn)間的互操作性。

2.歐洲重點(diǎn)推進(jìn)激光通信系統(tǒng)商業(yè)化運(yùn)營

歐空局（ESA）早期實(shí)施的“半導(dǎo)體激光星間鏈路試驗”（SILEX，20世紀(jì)80年代開始，2001-2006年在軌試驗）等項目，首次驗證LEO至GEO的星間通信。在發(fā)展SILEX計劃的同時，瑞士發(fā)展了高碼率、小型化、輕量化、低能耗的OPTEL工業(yè)化激光通信終端系列，德國完成了合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星的高碼率多用途激光通信終端TSX-LCT，表明歐洲已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高性能激光通信終端，在衛(wèi)星激光通信領(lǐng)域，歐洲已完全領(lǐng)先于美國，處于國際領(lǐng)先地位并在可預(yù)見的將來保持這一地位。

圖7 EDRS星座結(jié)構(gòu)圖示意圖

2008年底，歐空局決定在其“歐洲數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)”（EDRS，圖7）中應(yīng)用激光通信終端，以促進(jìn)衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)的研發(fā)和實(shí)施達(dá)到成熟階段，通過2顆地球靜止軌道（GEO）數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星（EDRS-A和EDRS-C）為低軌道（LEO）的航天器與地面控制中心進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)中繼，構(gòu)建“太空數(shù)據(jù)高速路”，并以商業(yè)模式運(yùn)營?！皻W洲數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)”取得了一系列突破性進(jìn)展，成為世界上首個商業(yè)化運(yùn)營的高速率衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)。

激光數(shù)據(jù)通道由“太空數(shù)據(jù)高速路”在慕尼黑的任務(wù)操作中心控制，7×24小時運(yùn)維服務(wù)。激光通信終端由Tesat-Spacecom和DLRGerman Space Administration開發(fā)。操作人員接收客戶的數(shù)據(jù)傳輸請求，制定衛(wèi)星和地面設(shè)備的操作程序，并監(jiān)控通信性能。

搭載“歐洲數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)” 首個激光通信中繼載荷EDRS-A的Eutelsat 9B衛(wèi)星于2016年1月29日成功發(fā)射，可提供激光和Ka波段兩種雙向星間鏈路，星間激光傳輸速率可達(dá)到1.8 Gbps，星間最遠(yuǎn)距離達(dá)到45000 km，并于2016年7月進(jìn)入業(yè)務(wù)運(yùn)行階段。EDRS-A載荷實(shí)現(xiàn)在軌服務(wù)是近年來歐洲航天技術(shù)快速發(fā)展的一個重要里程碑，第2顆衛(wèi)星EDRS-C預(yù)計于2018年發(fā)射。

據(jù)ViaSatellite消息，在投入日常運(yùn)營服務(wù)的近兩年時間里，EDRS-A衛(wèi)星已成功完成萬次激光傳輸連接，可靠性達(dá)99.8%，傳輸數(shù)據(jù)已達(dá)500TB，目前“太空數(shù)據(jù)高速路”每天可傳輸40TB遙感衛(wèi)星、無人機(jī)和飛機(jī)的數(shù)據(jù)。根據(jù)ViaSatellite的數(shù)據(jù)可以推算，在近兩年時間里EDRS-A衛(wèi)星激光鏈路的累計使用時間約為77.2小時，即3.2天。

2017年3月7日，EDRS的用戶歐盟“哥白尼計劃”的“哨兵2B”衛(wèi)星成功發(fā)射，該衛(wèi)星用于地球觀測領(lǐng)域的數(shù)據(jù)圖像采集，回傳采用X波段和激光載荷，其中激光載荷傳送的數(shù)據(jù)通過EDRS-A中繼系統(tǒng)傳至地面。據(jù)ViaSatellite報道，除現(xiàn)在已經(jīng)使用EDRS服務(wù)的哥白尼計劃外，未來將有其他更多客戶終端使用EDRS服務(wù)，例如：2019年該系統(tǒng)將服務(wù)于國際空間站的哥倫布模塊，2020年 Pleiades Neo衛(wèi)星（Airbus的高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星，達(dá)到30cm分辨率）也將使用這項服務(wù)。

歐空局計劃在2020年將EDRS擴(kuò)展成為全球覆蓋系統(tǒng)，形成以激光數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星與載荷為骨干的天基信息網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星、空中平臺觀測數(shù)據(jù)的近實(shí)時傳輸，未來EDRS的主要市場將是無人機(jī)編隊的通信服務(wù)。EDRS不僅將滿足歐洲航天活動對空間數(shù)據(jù)傳輸速率、傳輸量和實(shí)時性日益增長的需求，更將使歐洲擺脫對非歐洲地面站的依賴，保持空間通信的戰(zhàn)略獨(dú)立性。

3.日本致力于激光通信終端小型化研究

日本已經(jīng)完成的系列星地激光通信演示驗證（GOLD）項目取得了巨大的成功，工程試驗衛(wèi)星（ETS-VI，1995-1996年試驗）計劃和光學(xué)在軌測試通信衛(wèi)星（OICETS，2003/2006年試驗）計劃成功進(jìn)行激光通信測試，實(shí)現(xiàn)了世界首次低軌衛(wèi)星與地面站及移動光學(xué)地面站之間的激光通信試驗。

為保持衛(wèi)星激光通信技術(shù)方面的優(yōu)勢，日本向激光通信終端小型化、輕量化、低功耗方向發(fā)展。特別是通過“空間光通信研究先進(jìn)技術(shù)衛(wèi)星”計劃（SOCRATES）等，完成了SOTA的對地激光通信在軌測試，以構(gòu)建全球光通信網(wǎng)絡(luò)，使飛機(jī)、衛(wèi)星收集的高分辨率圖像數(shù)據(jù)可通過衛(wèi)星激光通信鏈路下傳至地面。2014年，日本的“小型光學(xué)通信終端”（SOTA）發(fā)射并開展LEO衛(wèi)星對地激光通信試驗，SOTA總質(zhì)量僅為5.8kg，最遠(yuǎn)通信距離達(dá)1000km，下行通信速率10Mbps。

圖8 日本激光數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星計劃研制進(jìn)度示意圖

2015年，日本公布了新版《宇宙基本計劃》，將“激光數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星” 計劃（圖8）正式列入其中，并于同年正式啟動該項目。日本激光數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星計劃于2019年發(fā)射，將當(dāng)前數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)的微波鏈路替換為激光鏈路，通過激光實(shí)現(xiàn)先進(jìn)光學(xué)衛(wèi)星等新一代高分辨率對地觀測衛(wèi)星的數(shù)據(jù)回傳，屆時將使日本獲得更高速的實(shí)時觀測能力。

目前，日本激光數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星全面開展正樣研制工作。衛(wèi)星采用三菱電機(jī)公司的DS-2000平臺，激光波長1064nm，采用DPSK相干調(diào)制解調(diào)模式，LEO終端重量35kg，光學(xué)孔徑100mm，GEO終端重量50kg，光學(xué)孔徑200mm，平均功耗100W，預(yù)設(shè)通信速率達(dá)2.5 Gbps。

4.總結(jié)

衛(wèi)星激光通信技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速率比微波通信提高百倍，將滿足對空間數(shù)據(jù)傳輸速率、傳輸量和實(shí)時性等日益增長的需求，有望成為未來空間通信的主要形式。而且衛(wèi)星激光通信因其光束方向性強(qiáng)、高頻率和高帶寬等因素，可實(shí)現(xiàn)安全高速通信。

回顧近兩年國外衛(wèi)星激光通信技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r可知，目前就整體水平而言，衛(wèi)星激光通信技術(shù)仍處于研究階段，尚面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，但隨著衛(wèi)星激光通信技術(shù)的持續(xù)發(fā)展和不斷突破，對增強(qiáng)空間信息傳輸?shù)膶?shí)時性、安全性、實(shí)用性以及未來深空探測等領(lǐng)域具有重大意義，并有力地促進(jìn)未來空間通信技術(shù)的發(fā)展和變革。