董全睿，陳 濤，高世杰，劉永凱，張玉良

(1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學院大學，北京 100049)

1 引 言

隨著科學技術和電子器件的發(fā)展，現(xiàn)代社會步入了海量數(shù)據(jù)和高速傳輸?shù)男畔r代。目前，信息的傳輸可以分為有線傳輸和無線傳輸兩種傳輸方式，有線傳輸方式主要適用于地面上的短距離傳輸，而對于地面與空間、空間與空間之間的長距離傳輸則需要采用無線傳輸方式進行通信[1-2]。目前衛(wèi)星基本都利用微波進行通信，但是其波長較長、需采用較大口徑天線實現(xiàn)高收發(fā)增益，從而導致星載平臺上的微波通信終端功耗高、體積大、重量大。近幾年，微小衛(wèi)星發(fā)展飛速，微波通信已經(jīng)不能滿足星載端機輕負載、低功耗的需求[3-6]。因此，為了提高通信速率和容量，各國科研人員對無線激光通信進行了深入探索。

星載激光通信利用極窄的激光作為載體，在空間上建立星-星，星-空或星-地鏈路，完成數(shù)據(jù)無線傳輸。激光通信具有諸多優(yōu)點：通信頻帶寬、信息容量大，抗干擾能力強，保密性極強等[7]，尤其在解決射頻通信瓶頸，構建天基組網(wǎng)等方面有很大應用潛力，此外在軍事方面也有著迫切需求[8]。1994年，日本建立了世界上首個星地激光通信鏈路，并在此基礎上完成了空間衛(wèi)星ETS-VI與地面站之間的多次通信實驗[9]，首次驗證了星地鏈路的可行性。在此之后，各國開始廣泛開展空間激光通信研究，美國、德國和法國等國家相繼進行了有關星載激光通信的研究與實驗[10-13]。近幾年，國外已經(jīng)進行了多次成功的工程實驗，對諸多關鍵技術進行了驗證。2006年，日本又開展了星間激光通信實驗，低軌衛(wèi)星OICETS與歐洲研發(fā)的靜止軌道衛(wèi)星ARTEMIS進行了單向的激光通信測試，通信速率為50 Mbps[14]。2008年，歐洲又進一步實現(xiàn)了星間衛(wèi)星的雙向激光通信實驗，TerraSAR-X衛(wèi)星與美國NFIRE衛(wèi)星完成了雙向激光通信實驗，速率為5.625 Gbps[15]。2013年，美國利用月球激光通信終端與地面站終端進行了月地超遠距離激光通信，通信速率達到622 Mbps[16]。本文旨在介紹各國目前星載激光通信的研究進展及未來計劃，并歸納了相關關鍵技術，總結了仍待解決的問題。

2 星載激光通信系統(tǒng)的基本構成

星載激光通信系統(tǒng)是一個復雜的系統(tǒng)，涵蓋了光機電等多個領域，各子系統(tǒng)在完成各自任務的同時，還需相互間配合，缺一不可。激光通信系統(tǒng)主要包括以下幾部分：激光接收和發(fā)射系統(tǒng)、 捕獲跟蹤瞄準(Acquisition Tracking Pointing,ATP)系統(tǒng)和光學系統(tǒng)，除了上述基本子系統(tǒng)外，還包括配電系統(tǒng)以及熱控系統(tǒng)等一些配套系統(tǒng)。

圖1 典型激光通信系統(tǒng)組成 Fig.1 Configuration of a typical laser communication system

星載激光通信系統(tǒng)設計復雜，每個子系統(tǒng)的具體設計要求必須要根據(jù)星載激光通信系統(tǒng)的需求統(tǒng)籌分配和嚴謹論證。典型激光通信系統(tǒng)的組成如圖1所示。

2.1 激光收發(fā)系統(tǒng)

調制器、激光器、光學發(fā)射天線以及準直系統(tǒng)等共同組成激光發(fā)射系統(tǒng)；激光接收系統(tǒng)包括探測器、光濾波器、解調器和光學接收天線等。在激光發(fā)射系統(tǒng)中，由于半導體激光器發(fā)出的光束質量較差，通常要對光束進行整形和壓縮，要求經(jīng)過處理的光束近似服從高斯分布，壓縮后的光束在微弧度量級。傳輸鏈路在空間的損耗大小決定了激光光源功率和發(fā)射端的天線增益。激光接收端機的主要功能是收集來自目標衛(wèi)星發(fā)射過來的光束，利用分色鏡從這些光束中分離出信標光和信號光，分離后的信標光經(jīng)過光學系統(tǒng)入射到粗跟蹤探測器；而信號光經(jīng)過濾波和聚焦后入射到光探測器上，經(jīng)由光探測器將光信號轉為電信號，再經(jīng)過信號處理后恢復出所需要的通訊信息或捕獲跟蹤信息。目前的星載激光通信系統(tǒng)中，信號光和信標光光源多采用800～850 nm波段的半導體激光器發(fā)射，近些年隨著光纖激光器的發(fā)展，也有一些星載通信系統(tǒng)選用1 550 nm波段作為光源。

2.2 捕獲跟蹤瞄準(ATP)系統(tǒng)

捕獲跟蹤瞄準系統(tǒng)是用于建立和保持星地通信鏈路的關鍵系統(tǒng)，主要包括粗跟蹤機構、精跟蹤機構和預瞄準機構。在捕獲階段，粗跟蹤系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)，根據(jù)星歷或衛(wèi)星的運動軌跡將望遠鏡定位到對方終端的方向，以便捕獲到信標光信號。在接收到信標光以后，粗跟蹤系統(tǒng)會根據(jù)目標與探測器中心的脫靶量進行閉環(huán)控制，執(zhí)行器件為電機。當系統(tǒng)光軸處于精跟蹤視場范圍時，系統(tǒng)進入精跟蹤階段，在此階段根據(jù)精跟蹤探測器反饋的誤差信號控制快反鏡，使誤差達到通信要求的精度，一般精跟蹤精度為幾微弧度。預瞄準機構的作用是補償通信雙方在不同的軌道運轉而引起的相對運動誤差。由于激光光束的束散角很小，因此預瞄準機構十分重要。

2.3 光學系統(tǒng)

光學系統(tǒng)是通信終端的重要系統(tǒng)，光學系統(tǒng)負責準直激光發(fā)射的信標光和信號光光束并將其發(fā)向其他終端。此外，光學系統(tǒng)還負責接收目標終端發(fā)射過來的信號光和信標光光束。光學系統(tǒng)的任務是能夠快速建立通信鏈路并且有效地進行通信。在設計光學系統(tǒng)時，需考慮以下幾點：由于空間環(huán)境復雜，光學系統(tǒng)必須具有足夠強的適應性；根據(jù)總體指標要求，系統(tǒng)結構應盡量滿足體積小、質量輕的要求；大氣環(huán)境會對光束傳輸產(chǎn)生影響，光學系統(tǒng)設計時應充分考慮大氣因素并減小其影響。

3 研究現(xiàn)狀

3.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

3.1.1 日本星載激光通信技術研究現(xiàn)狀

日本于1995年研制了激光通信終端LCE并且搭載衛(wèi)星ETS-VI成功完成了世界上首次星地激光通信可行性驗證。此項目完成了多次捕獲試驗，驗證了捕獲系統(tǒng)的性能。激光發(fā)射系統(tǒng)為離軸卡塞格林望遠鏡，直徑為7.5 cm，縮放比為10倍。粗跟蹤探測器采用面陣電荷耦合器件(Charge Couple Device,CCD)，其視場大小為8 mrad，捕獲不確定區(qū)域大小為±1.5°，跟蹤精度為32 μrad，LCE終端采用四象限探測器(Quadrant Detector,QD)作為精跟蹤探測器，精跟蹤視場大小為0.4 mrad，跟蹤精度達到2 μrad，精跟蹤系統(tǒng)閉環(huán)帶寬大于200 Hz。此外，LCE系統(tǒng)還設計了預瞄準裝置，來補償由于衛(wèi)星相對運動產(chǎn)生的瞄準誤差。改進后的有效補償視場范圍為±0.1 mrad，跟蹤精度優(yōu)于2 μrad，通信速率為1.024 Mbps，誤碼率低于10-6。盡管該衛(wèi)星由于火箭推進失效等原因沒有進入預定軌道，但是，日本通信研究實驗室(Communications Research Laboratory,CRL)和美國噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)合作完成了多次捕獲試驗，驗證了捕獲系統(tǒng)的性能[17]。

為了繼續(xù)研究激光通信鏈路特性，日本宇宙開發(fā)事業(yè)部( National Space Development Agency,NASDA)于2003年又開展了搭載OICETS衛(wèi)星的LUCE激光通信終端項目，LUCE激光通信終端如圖2所示。

圖2 LUCE激光通信終端圖 Fig.2 Laser communication terminal of LUCE

2005年，日本繼續(xù)開展星地激光通信項目的研究，與德國共同開展了名稱為“閃光衛(wèi)星地面站的通信演示試驗(KIODO)”的通信試驗，利用搭載在OICETS衛(wèi)星上的LUCE激光通信終端與德國航空航天研究院(Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt,DLR)的光學地面站進行星地間的通信實驗。該項目主要驗證了地面站在各種天氣狀況下對衛(wèi)星終端的捕獲能力和相互之間的通信能力。2006年，日本衛(wèi)星與德國地面站之間又開展了多次捕獲試驗，由實驗結果得出：大氣湍流擾動和云層不確定因素對結果影響最大，尤其是在湍流較強時，地面站接收端的光束色散嚴重，使得光功率分布不均勻，進而導致整個系統(tǒng)通信性能變差。該實驗為后續(xù)星地激光通信提供了參考，地面站可以通過選擇多點布站的方式提高總通信時間。此試驗項目實現(xiàn)了雙向通信，上行、下行傳輸速率分別為2.048 Mbps和49.372 Mbps[18]。

2014年，日本開展了一項名為先進空間光通信技術衛(wèi)星SOCRATES的計劃。該計劃的超小型LEO(Low Earth Orbit)激光通信終端SOTA(Small Optical TrAnsponder)，總質量僅為5 kg左右，搭載在50 kg級的小衛(wèi)星上與地面進行通信試驗[19]，SOTA終端的收發(fā)系統(tǒng)結構如圖3所示。同年5月SOTA終端發(fā)射進入軌道，并成功于當年8月至11月間開展了星地激光通信試驗，下行通信速率為10 Mbps，最遠通信距離為1 000 km。

圖3 SOTA收發(fā)系統(tǒng)結構圖 Fig.3 Structure of transmitter and receiver system of SOTA

2015年1月，日本公布了包括“激光數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星(JDRS)”計劃在內(nèi)的國家航天開發(fā)基本計劃，目前正處于初步設計研發(fā)階段，并于當年下?lián)芰?2.08億日元作為該計劃的啟動經(jīng)費，計劃在2019年搭載光學衛(wèi)星(AOS)發(fā)射，旨在通過衛(wèi)星之間的激光鏈路和Ka波段鏈路為星地終端提供數(shù)據(jù)中繼服務[20]。日本已經(jīng)啟動下一代激光通信系統(tǒng)的研究，并開展了一項名為HICALI(High speed Communication with Advanced Laser Instrument)的項目計劃[21]。該計劃預計實現(xiàn)地面站與LEO之間10 Gpbs量級和與GEO(Geosynchronous Earth Orbit)之間40 Gpbs量級的激光通信，通信波長為1.5 μm，此外，該項目將使用激光通信與無線電通信的混合系統(tǒng)。HICALI項目在2018年已完成初步設計驗證，衛(wèi)星總線系統(tǒng)也已完成，計劃于2021年搭載HST(High-throughput Satellite)衛(wèi)星發(fā)射到同步地球軌道。

3.1.2 美國星載激光通信技術研究現(xiàn)狀

美國于1995年進行星間激光通信研究并正式實施STRV-2計劃，目的是驗證地面與衛(wèi)星之間激光通信技術的可行性。然而由于受搭載衛(wèi)星軌道控制準確度差等因素影響，導致雙方無法通信，最終本計劃失敗。隨后美國的JPL實驗室和美國國家航空太空總署NASA共同研究出OCD激光通信系統(tǒng)，先后研制了OCDⅠ樣機和OCDⅡ終端，用于低軌衛(wèi)星和地面站之間通信[22]。OCD終端采用帶寬較高且精度高的陣列探測技術與復合軸伺服技術，簡化了提前量補償系統(tǒng)的功能及結構，如圖4所示。通過安裝高速單探測器以提高跟蹤精度，同時運用開窗技術提高系統(tǒng)采樣速率。將陣列探測系統(tǒng)安裝在發(fā)射光路中，用來補償粗跟蹤殘差(Coarse Pointing Gimbal,CPA)。在2000年的OCDⅠ樣機試驗中，信標光波長為780 nm，通信光波長為844 nm，通信速率為500 Mbps，ATP跟蹤精度為2 μrad；在2005年的OCDⅡ終端試驗中，信標光波長為810 nm，通信光波長為1 550 nm，通信速率為2.5 Gbps，ATP跟蹤精度為1 μrad。

圖4 OCD 系統(tǒng)ATP結構設計圖 Fig.4 ATP structure design diagram of OCD system

2013年10月，美國麻省理工學院、林肯實驗室和美國宇航局共同合作，成功開展了LLCD月球探測計劃，如圖5所示。在月球軌道與地球多個地面站分別進行了激光雙工通信試驗[23]。LLCD進行了30天，由于此系統(tǒng)只能在白沙地面站或ESA地面站處于使用狀態(tài)時使用，因此通信時間受到一定限制，其系統(tǒng)鏈路試驗時間為16小時，該演示計劃的主要目的是驗證關鍵技術和長距離激光通信的可行性，最遠通信距離接近40萬千米。用于LLCD激光通信的波長為1 550 nm，上行通信速率可達20 Mbps，下行通信速率可達622 Mbps，可用于對往返飛行間的時間進行連續(xù)測量，且誤差低于200 ps。LLCD月球終端采用雙發(fā)卡塞格林望遠鏡，直徑為15 cm，光束發(fā)散角約為15 μrad，轉臺精度優(yōu)于4 μrad，發(fā)射光功率為0.5 W。地面接收端機采用4發(fā)4收的光學系統(tǒng)，每路接收孔徑為40 cm，發(fā)射孔徑為15 cm，同時選擇靈敏度達到-82.9 dBm的超導納米線單光子探測器完成探測任務。

圖5 LLCD月球探測示意圖 Fig.5 Schematic diagram of LLCD lunar exploration

為了建設深空探測通信網(wǎng)絡以及為未來的TDRS空間激光通信網(wǎng)絡建設提供重要參考，美國在2017年開展了名為“激光通信中繼演示(LCRD)”計劃[24]。此計劃用于對地面接收站與地球同步軌道衛(wèi)星間高速雙向通信進行演示，并利用GEO衛(wèi)星與地面上兩個接收站進行激光中繼通信。在LLCD的基礎上，LCRD計劃完成驗證編碼演示，組網(wǎng)能力有所提高，可滿足DTN網(wǎng)絡協(xié)議等任務。LCRD計劃在商用衛(wèi)星SSL(Space Systems Loral)上裝載衛(wèi)星激光通信終端。同時，改建了麻省理工學院和JPL的兩個地面光學站，在原來地面站的基礎上增加了DPSK單元和AO自適應光學系統(tǒng)，用來進行DPSK通信試驗同時可提高其抗大氣湍流干擾能力。圖6為LCRD自適應系統(tǒng)結構圖。

圖6 LCRD自適應光學系統(tǒng)結構圖 Fig.6 Structural diagram of adaptive optical system of LCRD

此外，基于LLCD項目的成功經(jīng)驗，美國于2017年又開展了深空光通信計劃(Deep Space Optical Communications,DSOC)，DSOC計劃可以實現(xiàn)近地小行星和木星間的數(shù)據(jù)傳輸，本計劃回傳數(shù)據(jù)速率為250 Mbps，通信距離最長達6.3億公里，功率為76 W，終端質量僅為28 kg。但是與LLCD相比，DSOC還有許多關鍵技術仍未解決，如千瓦級地面發(fā)射功率、下行光束較大預瞄準角、通信終端光子計數(shù)陣列探測器以及慣性穩(wěn)定光束指向等。最近的DSOC研究得到美國空間通信與導航中心SCaN計劃的支持，將繼續(xù)進行微小衛(wèi)星研究，終端總體重量在6 kg以內(nèi)，電源功率小于50 W，計劃與火星航天器之間的數(shù)據(jù)通信速率達20 Mbps，與地面站之間的數(shù)據(jù)通信速率達200 kbps[25]。2018年8月2日，美國又完成了一項星載激光通信領域里程碑的事件：美國的OSCD-B和OSCD-C終端分別搭載兩顆1.5U(1U指一個標準單元，體積為10 cm×10 cm×10 cm)的立方衛(wèi)星AeroCube-7B和AeroCube-7C，首次完成了基于Cubesat微小衛(wèi)星平臺的星地激光通信，兩個通信終端的質量僅為360 g，下行通信速率為100 Mbps。

3.1.3 歐洲星載激光通信技術研究現(xiàn)狀

1977年，歐洲航天局(European Space Agency,ESA)在空間激光通信領域開展研究，并于1985年制定和實施包含一個LEO衛(wèi)星(SPOT-4)激光通信端機與一個GEO衛(wèi)星(ARTEMIS)激光通信端機在內(nèi)的SILEX計劃，于2001年發(fā)射衛(wèi)星ARTEMIS，其工作波段為847 nm，接收速率為50 Mbps，天線口徑為25 cm，最遠通信距離為45 000 km，LEO至GEO的通信速率為50 Mbps，GEO至LEO的通信速率為2 Mbps，并在2001年11月法國地面觀測衛(wèi)星SPOT-4與ESA的ARTEMIS衛(wèi)星第一次實現(xiàn)星間激光通信單向試驗，其僅能從SPOT-4單方向傳遞數(shù)據(jù)至ARTEMIS。這是世界上首個成功實現(xiàn)星間激光通信的鏈路計劃，具有標志性意義[26]。實現(xiàn)SILEX計劃的空間終端接收天線采用卡塞格林式天線結構，使用非相干調制通信方式，通信波長為797～853 nm。此次星間通信時間為900 s，通信速率為50 Mbps，誤碼率為10-9。

2002年，德國航天中心DLR開展了LCTSX計劃，Tesat公司承擔了設計及制造通信終端的任務，該計劃于2007年6月15日搭載TerraSAR-X衛(wèi)星發(fā)射。TerraSAR-X衛(wèi)星于次年3月與美國的NFIRE衛(wèi)星成功建立了雙向超高速激光通信鏈路，星間通信速率為5.6 Gbit/s，通信距離為5 000 km。LCTSX計劃實現(xiàn)星間激光通信的同時，也可用于完成星地激光通信[27]。與以往采用傳統(tǒng)微波通信的方式相比，該計劃首次在星間激光通信運用相干通信方式，體現(xiàn)了激光通信高速率的優(yōu)勢，具有標志性的意義。

2008年底，ESA計劃將空間激光通信應用于新的數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)EDRS(European Data Relays System)中[28]。EDRS計劃作為全球第一個正式投入使用的空間激光通信項目，最初的目的是利用多條Ka波段GEO對地鏈路和中繼GEO衛(wèi)星與LEO間激光通信鏈路，解決傳統(tǒng)低軌衛(wèi)星在對地面數(shù)據(jù)傳輸方面的缺陷。EDRS計劃創(chuàng)造出一種新型衛(wèi)星服務，使空間激光通信系統(tǒng)發(fā)展與應用趨于成熟，加速了商業(yè)模式的運營進程。2016年6月1日ESA對外公布了第一張使用EDRS-A轉發(fā)哨兵1號衛(wèi)星拍攝的法國留尼旺島圖像，如圖7所示，其圖像傳輸速率為600 Mbps。ESA計劃一共發(fā)射3顆EDRS衛(wèi)星，構成全球組網(wǎng)計劃，可實現(xiàn)全球數(shù)據(jù)的中繼傳輸，2018年計劃發(fā)射EDRS-C衛(wèi)星，在此基礎上預計于2020年或2021年擴充發(fā)射EDRS-D衛(wèi)星。

圖7 EDRS傳回的圖像 Fig.7 Image transmitted from EDRS

近些年為滿足衛(wèi)星新興市場的需求，增強組網(wǎng)化能力，2018年瑞士軍工企業(yè)RUAG發(fā)射了一顆名為OPTEL-μ的微小衛(wèi)星激光通信終端到近地軌道，該終端總重8 kg，體積為8L，功耗為45 W，能夠以2 Gpbs的速率將LEO產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳輸至地面站，OPTEL-μ終端實現(xiàn)了從近地軌道到固定光學地面站組網(wǎng)的雙向非對稱激光通信鏈路[29]。該項目計劃在全球網(wǎng)絡的4到10個不同站點位置部署地面站，以滿足天氣晴朗狀況下的通信需求。目前歐洲航天局ESA已經(jīng)開展深空探測激光通信的研究，項目名稱為小行星撞擊任務AIM(Asteroid Impact Mission)，目的是為了保護地球遭到小行星碰撞，并計劃于2020年將其發(fā)射進入雙體小行星軌道[30]。AIM主體航天器計劃攜帶至少3顆較小的飛行器：即由DLR提供的Mascot-2小行星著陸器，以及兩顆或更多的Cubesat微小衛(wèi)星，AIM將在深空測試衛(wèi)星間的激光通信，這將是未來探索深空的必要技術。

3.2 星載激光通信國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)開展空間激光通信的研究較晚，但考慮到激光通信領域巨大的發(fā)展前景，近幾年國家加大了對該領域的投入。目前國內(nèi)許多科研機構和高校都開展了相關技術的研究并取得了顯著的成果。電子科技大學對激光通信系統(tǒng)理論及系統(tǒng)設計進行了較為深入的探索[31]。長春理工大學在空地以及空空激光通信方面進行了許多研究試驗，2013年成功完成了兩架運12飛機相隔144 km的遠距離通信[32]。哈爾濱工業(yè)大學則將研究重心主要放在星間及星地激光通信方面，2011年，哈爾濱工業(yè)大學建立了國內(nèi)首個星地通信鏈路，其自主研制的激光通信終端搭載LEO衛(wèi)星“海洋二號”成功發(fā)射[33]。成都光電所將自適應光學技術應用到激光通信系統(tǒng)中[34]，以有效校正大氣湍流及其他因素引起的波前畸變，提高了通信質量。此外，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所、上海技術物理研究所、中國航天科技集團有限公司等單位也相繼開展了空間激光通信研究[35]。目前，我國自行研制的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)已初具規(guī)模，其中北斗三號衛(wèi)星也增加了衛(wèi)星激光通信功能[36]。雖然我國在空間激光通信領域取得了一定的成果，但是離商用化的目標還有很長的一段路要走，仍然有很大的發(fā)展空間。

4 星載激光通信發(fā)展趨勢及關鍵技術研究展望

4.1 星載激光通信發(fā)展趨勢

近幾年星載激光通信技術發(fā)展迅速，關鍵技術不斷被攻破，縱觀國內(nèi)外星載激光通信的研究進展，呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢：

一是高速率。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，高靈敏度探測技術逐漸成熟，誤碼率越來越低，可使速率從最初的百Mbps量級提高到Gbps量級，甚至達幾百Gbps量級；

二是星載激光通信呈現(xiàn)組網(wǎng)化趨勢。最初的星載激光通信方式基本上均為點對點通信，但近幾年各個國家不斷開展星載數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星計劃，組網(wǎng)化已經(jīng)成為未來的主要發(fā)展趨勢。

三是星載端機小型化。輕量化、小型化、低功率的終端越來越受到國內(nèi)外激光通信項目的青睞，小型化的終端一般發(fā)射到低軌軌道上，例如日本的SOTA終端，美國的立方衛(wèi)星AeroCube-7B和AeroCube-7C和歐洲的OPTEL-μ微小衛(wèi)星。

四是星載激光通信深空化研究。美國已于2017年又開展了深空光通信計劃DSOC，用于實現(xiàn)木星、火星探測信息傳輸。而歐洲航天局也已經(jīng)開展了名為AIM的深空探測任務，用于記錄小行星的軌道信息，防止小行星與地球發(fā)生碰撞。

4.2 關鍵技術研究展望

4.2.1 光學系統(tǒng)設計研究

高效的光學天線和精密的收發(fā)光路是光學系統(tǒng)的主要設計目標。為了減小通信終端的體積，光學天線通常采用收發(fā)共用的結構，光學天線一方面對發(fā)射光束進行準直擴束，壓縮發(fā)散角，提高發(fā)射增益；另一方面對其他終端發(fā)射過來的光束進行壓縮，使其最終聚焦在光電探測器上。天線孔徑大小與發(fā)射和接收增益成正比，但隨著孔徑的增大，終端的體積和重量也會隨之增大，因此天線孔徑的大小應該根據(jù)總體設計要求，全面考慮各方面因素來確定。典型的空間激光通信收發(fā)光路包括信標光和信號光兩個通道，成像質量直接影響跟瞄精度和通信質量。此外，光學系統(tǒng)各個分系統(tǒng)的指標分配和參數(shù)選擇也直接影響整個系統(tǒng)的性能指標。

4.2.2 高精度ATP控制系統(tǒng)研究

ATP控制系統(tǒng)是用來建立和保持空間激光通信鏈路的關鍵技術。在相距較遠的動目標上對發(fā)散角小的窄信號光進行捕獲、跟蹤、瞄準是件十分困難的事情。目前，典型的ATP系統(tǒng)一般采用復合軸控制，包括粗跟蹤系統(tǒng)和精跟蹤系統(tǒng)兩個部分。粗跟蹤系統(tǒng)帶寬低但是動態(tài)范圍大，用于完成掃描、跟蹤以及大范圍視場跟蹤；精跟蹤系統(tǒng)帶寬高但視場小，可有效補償粗跟蹤系統(tǒng)的殘余誤差，此外，精跟蹤系統(tǒng)對高頻擾動也有較強的抑制能力，整個ATP系統(tǒng)的精度取決于精跟蹤系統(tǒng)的控制精度。粗跟蹤系統(tǒng)的設計難點是在低速高精度的工作模式下要克服轉臺的軸系摩擦還要補償電機齒槽力矩波動，目前可以通過在數(shù)字控制器上設計先進控制算法來克服擾動，以提高精度或者改進機械加工技術，從而減小軸系間的摩擦。而精跟蹤系統(tǒng)則需要克服由星上振動引起的高頻干擾，精跟蹤系統(tǒng)的帶寬要足夠高，一般為粗跟蹤系統(tǒng)帶寬的十倍左右，因此用于精跟蹤系統(tǒng)的光電探測器的采樣頻率要很高，目前精跟蹤系統(tǒng)常用的光電探測器主要是以下3種：電耦合器件、位置敏感器、四象限探測器。

4.2.3 大氣信道對通信鏈路的影響研究

大氣信道對激光通信鏈路有影響，這是制約空間激光通信發(fā)展的重要因素之一，也是發(fā)展空間激光通信技術必須考慮的因素。由于大氣處于不同的運動狀態(tài)，會引起溫度、壓強、密度等因素的隨機變化，造成大氣湍流運動，大氣湍流會對光束傳播和波面產(chǎn)生影響，進而對通信鏈路的捕獲、跟蹤和穩(wěn)定造成不利影響，嚴重時可導致通信失敗。利用液晶光束衰減器可提高寬范圍激光的光強穩(wěn)定性，增強光強閃爍的抑制能力。此外，采用自適應光學技術可有效緩解大氣信道對傳輸光路產(chǎn)生的波前動態(tài)誤差。

4.2.4 環(huán)境適應性和可靠性研究

空間復雜環(huán)境對激光通信的影響十分嚴重，空間影響因素主要包括空間溫度、空間輻射和空間等離子體運動等?？臻g環(huán)境對激光通信系統(tǒng)中的許多載荷都有不同程度的影響，從而引起了許多航天科研工作者的重視。因此在設計光學系統(tǒng)時，采用抗輻射的高反膜反射鏡；設計機械器件時，選擇不易冷焊的材料，并鍍上不易冷焊的涂層；電力系統(tǒng)盡量選擇抗輻射能力強和抗氧化的電力電子器件，并做好防靜電設計等。

5 結束語

隨著近幾年材料技術、探測技術、半導體發(fā)光技術以及控制技術的快速發(fā)展以及國內(nèi)外對星載激光通信系統(tǒng)研究的逐步深入，星載激光通信已經(jīng)進入性能測試階段，朝著實用化和商業(yè)化的目標更進一步。目前，星載激光通信的研究正向著更高通信速率、更遠通信距離、更小型化的方向發(fā)展，很多國家正在全面構建激光通信組網(wǎng)。結合各國目前的研究熱點，小衛(wèi)星激光通信終端將在未來中占據(jù)重要地位，如何在設計的過程中使整個系統(tǒng)小型化、輕量化、一體化將顯得尤為重要。我國近幾年在星載激光通信方面的投入逐年遞增，已經(jīng)由關鍵技術研究、地面實驗進入到空間試驗階段，為實現(xiàn)天地一體化的激光通信網(wǎng)絡奠定了堅實的基礎。