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国外空间激光通信技术的发展现状与趋势

时间:05-11 13:52 阅读:4823次 转载来源:战略前沿技术

远望智库:与智者同行,为创新加速

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国外空间激光通信技术的发展现状与趋势

远望智库技术预警中心:不会游泳的鱼

摘要:为了满足日益增长的大数据量、高速数据传输速率的需求,NASA、ESA、JAXA等航天机构正在开启空间激光通信技术的时代。各国纷纷在GEO-LEO,LEO-LEO,LEO-地面,以及地-月等不同轨道验证了激光通信终端的在轨性能。本文介绍了国外开展的激光通信技术演示验证试验情况,分析了激光通信技术未来发展趋势。期望通过该技术的研究,对我国激光通信技术的发展提供参考借鉴。

1 引言

随着空间技术的不断发展,空间激光通信在全球通信中作用日渐明显。空间激光通信,是利用激光单色性好、方向性强及功率密度大等良好的光束特性,实现以激光光波为载体在空间(包括近地的大气空间、临近空间、LEO/GEO、星际空间、深空等)信道之间进行信息交换的通信方式。近年来,随着科学任务高速数据下行的需求越来越大,射频通信已难以满足高速数据的通信需求。激光通信系具有传输速率更高、抗干扰性更强、体积更小等特点,在全球通信中的作用日趋明显。本文主要探讨激光通信的技术特点,分析了各国激光通信技术的发展现状与战略规划,重点研究了国外主要的几项演示验证试验情况。通过本文对国外激光通信技术的研究,期望对我国在该领域的技术发展起到一定的启示和借鉴作用。

2 激光通信的技术优势

空间激光通信是利用激光波长短、亮度高、高准直特性实现飞行器之间高速数据交换的一种新方法,是有别于当前广泛采用的星间射频通信的一种新手段,它具有以下四个方面的优点:

数据传输率高,通信容量大。星间光通信其载波频率在1013-1015GHz比微波通信高出几个数量级,单通道就可提供高达10Gbps量级以上的数据传输率,远大于目前微波通信几百Mbps的数据传输率。通过波分复用可以达到数百Gbps以上。

较小的发射功率需求。光束发散角远小于微波通信的波束发散角,所以星间光通信的天线增益远远大于微波通信。

较小的收发射天线和系统结构。光通信的工作波长比微波通信工作波长小3~5个量级,其系统的重量和体积相对更小更轻。

高保密性和抗干扰能力。与射频通信不同,激光通信是采用点对点的通信模式,因而具有高保密、抗干扰性强、截获能力强的特点,所以在军事领域起到越来越重要的作用。尽管激光通信应用于军事领域会受到一定的限制(大气、全天候、战场环境等),但将激光通信和射频通信进行复合模式工作,已经成为未来军事通信的趋势。

下表给出了激光通信与微波通信的技术参数比对。

表1微波通信与激光通信系统的比较

类别

波长

天线口径

发散角

发射功率/W

数据率

质量/kg

功耗/W

微波

0.5 cm

3 m

2.7mrad

150

20Mbps

154

350

激光

1550nm

15 cm

9  rad

0.2-2

1Gbps

30

100

3 国外激光通信演示验证试验

3.1 深空激光通信

3.1.1月球激光通信演示验证(LLCD)

2005年,NASA委托MIT林肯实验室开始进行月球激光通信演示验证试验(Lunar Laser Communication Demonstration,LLCD)的研制,首次尝试地基接收器与月球轨道器之间的高速激光通信。2013年,月球大气与尘埃环境探测器(LunarAtmosphere and Dust Environment Explorer,LADEE)携带了LLCD通信终端发射升空。

2013年11月,试验取得了较大成功,星上终端捕获到了地面发射的信标光并成功进行了跟踪。之后,分别进行了下行622Mbps,上行20Mbps的通信试验。而且验证了在不同天气条件下的链路建立。试验发现,在薄云天气、小地平角、近太阳条件下,通信终端都成功的建立了激光链路。并且在上行20Mbps的试验中,首次实现了全程无误码传输的结果。这是人类历史上月地之间通信上行链路的最好成绩。相比目前微波通道的上行数据率仅为1~2 kbps,提高是巨大的。

 图1 LADEE的激光通信试验

(1)试验目标

  • 验证地-月距离(约为38万公里)下的激光通信技术;

  • 利用激光信道实时传输月球探测器的高清图像数据。

(2)技术挑战

  • 远距离(380000km)

  • 高数据率:上行10~20Mbps(目前月-地间微波通道速率上行 1~10Kbps);下行:40~622Mbps;

  • 验证激光穿透薄云通信能力(Cloud Turbulence);

  • 验证地面站之间切换技术;

  • 验证小地平角通信能力(SEP);

  • 验证大地平角通信能力;

  • 星上大数据量存储与转发能力(目前的星上转发通道39Mbps)。

(3)方案设计

LLCD包括:星上终端(Lunar Laser Communication Space Terminal, LLST )、地面终端(Lunar Laser Communication GroundTerminal, LLGT),以及操作中心(Lunar Laser CommunicationOperation Center,LLOC)。

星上终端总质量32.8kg,功率136.5W,由光学舱、电子舱和调制解调舱三部分组成。主要技术指标如下:

图2 LADEE和激光通信终端 

表2LLCD的指标参数

LLCD试验有三个地面接收系统,分别是MIT研制的LLGT(位于新墨西哥White Sands),JPL设计的OCTL(位于加州),ESA的LLOGS(位于西班牙Tenerife岛)。

图3 美国月地激光通信地面站分布图

(上图为MIT-LLGT,左下为 NASA-OCTL 右下为SPAIN-OGS) 

LLGT为LLCD的主要地面终端,这是一个移动型地面接收系统。具有温控外壳,高约4.5m,总质量7t,与目前的无线电通信地面天线相比,尺寸和重量减少约75%。 LLCD 的目标之一是演示验证多孔径合成光信号收发技术。

图4 月球激光通信地面终端(LLGT) 

3.1.2火星激光通信演示验证(MLCD)

NASA于2003年开始执行火星激光通信验证(MARS Laser CommunicationDemonstration,MLCD)项目,目的是提供深空光学链路的早期经验。该项目由NASA/哥达德航天飞行中心(GSFC)管理,其星上子系统由麻省理工学院(MIT)林肯实验室(LL)研制,而地面子系统则由JPL和MIT-LL共同研制。星上终端计划在火星通信轨道器(MTO)上进行飞行试验,该任务原定于2009年10月发射。MLCD项目于2004年10月成功完成了系统要求评审,又于2005年3-5月完成了星上终端与地面终端的初步设计评审。后来由于NASA内部的计划变更,中止了MLCD项目。但是在MLCD项目进行期间,深空光学通信要求的定义和设计是非常先进的,该项目对于来自空间的波束稳定化和在地面上的有效光子计算与日间操作等各项关键技术都进行了开发。

(1)试验目标

  • 演示火-地下行光通信链路,在可行的条件下,数据率为10-100Mbps

  • 使用激光下行通信链路传输火星探测器的科学数据,验证数据转发通道

  • 演示地球到火星的上行链路,数据率至少为10kbps

  • 最后验证并收集在不同链路距离及不同天气情况下的光通信系统性能数据

(2)技术挑战

  • 超远距离地-火通信(0.2AU ~ 2.7AU )

  • 高数据量需求:最大传输数据 1.1 Tbps/天(相当于NASA 火星探测轨道器1天存储数据量);上行:100kbps~2Mbps;下行:0.7 - 260 Mbps

  • 星上大数据量存储与转发能力(目前的星上转发通道39Mbps)

(3)方案设计

MLCD包括星上终端(MLST)和地面移动终端(LLGT)两部分。MLCD质量38kg,平均功率不超过110W。下行链路最大速率260Mbps,上行链路最大速率2-292kbps,可抵抗20krad辐射。

图5 MLCD链路示意图及激光通信终端布局图 

星上终端(MLST)由光学机构和电子控制机构组成。光学机构发射/接收口径:30cm;束散角:15μrad;下行发射功率:0.5W。MSLT光学发射天线采用主动隔振的结构设计,光学天线采用卡赛格伦镜头,底座进行主动隔振。电子舱采用叠板结构,共由四部分组成:高速数据调制单元、模拟电路处理单元、数字电路处理单元、二次电源单元。MLST构型详见下图。

图6 火星激光通信星上终端

地面终端包括两个地面站,一个为Hale望远镜,位于帕洛马山(美国加利福尼亚州西南部),接收口径5.08m (200-inch);第二个是LDES望远镜,两个转动机构,每个结构上安装两个口径0.8m的望远镜,通过光纤耦合形式进行发射和接收光信号。

图7 MLCD地面接收望远镜结构(Hale)

图8 MLCD 地面接收望远镜多孔径接收

3.2 星间激光通信

3.2.1半导体星间链路试验(GEO-LEO)

半导体激光星间链路试验(Semiconductor laser Inter satelliteLink Experiment ,SILEX)是世界上首个星间激光通信链路。SILEX系统组成包括GEO 星上终端- ARTEMIS(ESA 2001)和LEO 星上终端- SPOT-4 (French 1998)。作为SILEX计划重要组成部分,ARTEMIS搭载的激光通信终端成功同相距40000km远的SPOT-4之间建立了激光链路,数据以50Mb/s的速率从LEO发射到GEO。

图9 左图为SPOT-4上的星载终端,右图为SPOT-4卫星平台 

SILEX的主要技术挑战是:建立激光通信终端空间应用;直接调制与检测自由空间激光通信;高数据率:上行 20Mbps/下行:50 Mbps。SILEX的主要技术指标:

表3SILEX通信链路指标参数

指标参数

ARTEMIS

SPORT-4

发射时间

2001

1998

轨道

GEO,36000 km

LEO,825 km

链路距离

< 45000   km

< 45000   km

终端

OPALE

PASTEL

终端重量

160   kg

150   kg

接收码速率

50 Mbps

/

接收天线口径

250mm

250mm

接收波长

847 nm

819 nm

发射码速率

2 Mbps (GEO-LEO)

50 Mbps (LEO-GEO)

发射天线口径

125mm

250mm

发射波长

819nm

847nm

3.2.2 ARTEMIS-OECETSGEO-LEO

2005年末,ARTEMIS又同JAXA光学通信工程试验卫星(Optical Inter-orbit Communication Engineering Test Satellite ,OICETS)成功进行了自由空间轨道间激光通信试验。星上搭载了由日本NEC 东芝空间系统公司研制的通信终端“激光利用通信设备”(Laser UtilizingCommunications Equipment,LUCE)。

(1)试验目的

  • 验证大气信道对相干链路的影响

  • 分析星间和星地海量信息传输体制

  • 验证零差BPSK相干通信技术的性能

  • 验证系统的指向和跟踪性能

(2)方案设计

LUCE通信终端包含光学舱和电子舱两部分。光学舱包括一个安装在两轴驱动万向架上的望远镜,电子舱提供捕获、跟踪和瞄准的功能。光学天线如下图所示,由一个直径为26cm中央馈源的卡赛格伦望远镜组成。其采用的通信方式为相干光通信,调制方式为BPSK方式,检测方式为零差相干检测。OICETS 通信链路指标参数见下表,LUCE终端见下图。

图10 OICETS卫星及其星上通信终端LUCE 

表4ARTEMIS -OICETS通信链路指标参数

指标参数

ARTEMIS

OICET

发射时间

2001

2005

轨道

GEO,36000 km

LEO,610 km

链路距离

< 45000   km

< 45000   km

终端

OPALE

LUCE

终端重量

160   kg

140   kg

接收码速率

50 Mbps

2 Mbps

接收天线口径

250mm

260mm

接收波长

847 nm

819 nm

发射码速率

2 Mbps (GEO-LEO)

50 Mbps

发射天线口径

125mm

125   mm

发射波长

819nm

847 nm

200512月,ARTEMISOICETS进行了星间激光通信链路试验。本次试验的不仅成功进行了激光通信试验,而且成功完成了JAXAESA之间双向通信。20063月,LUCE终端与日本国家信息通信技术研究所地面光学站成功进行了双向光学通信实验,同年6月,LUCE终端与德宇航移动光学地面站(OGS)之间实现了光通信实验,在国际上首次实现低轨卫星与光学地面站的激光通信试验。本次试验计划的成功进一步推动了星间通信以及深空探测中采用光通信技术的可能。

图11 ARTEMIS-OICETS星间通信操作图 

3.2.3中继激光通信演示验证(GEO-地面)

继月-地激光通信试验(LLCD)之后,NASA进行了激光通信中继演示卫星(Laser Relay CommunicationDemonstration -LRCD)项目,计划2018年3月发射。LCRD主要任务是发射一颗携带激光通信终端的卫星到同步轨道,建立同步轨道与地面站之间的通信链路。此次项目的主要关键技术大部分延续了月地激光通信技术。

图12 LCRD激光通信链路体系架构

(1)试验目标

  • 在GEO实现上行10M~20Mbps,下行2.88Gbps传输能力;

  • 验证深空激光通信关键技术。

(2)技术挑战

  • 验证高轨以及近地轨道通信终端对地面终端捕获技术;

  • 星上大数据量存储与转发能力;

  • 验证调制解调以及跟踪等技术;

  • 验证DPSK技术以及单光子计数等关键技术。

图13 卫星平台和星上通信终端

3.2.4TerraSAR-NFIRE(LEO-LEO)

DLR资助的著名项目LCTSX于2002年11月启动,其目的是通过GEO与GEO、GEO与LEO以及GEO与地面站之间的激光链路验证自由空间相干通信的可靠性。用于星间激光通信的两个终端LCTs(Laser CommunicationTerminal),分别于2007年4月23日搭载美国的LEO卫星NFIRE和2007年6月14日搭载德国的LEO卫星TerraSAR-X发射升空。随后,在2008年2月21日成功进行了国际上首次星间相干激光通信实验。

图14 安装在TerraSAR-X舱外的LCT系统 

表5  LCTSX 通信计划(LEO-LEO)- 数据率最高星间激光通信试验

TerraSAR-X

NFIRE

发射时间

2007-6-15

2007-4-24

轨道高度

LEO,508km

LEO,350km

通信距离

<6000km

<6000km

通信码速率

5.6Gbps

5.6Gbps

终端重量

35kg

35kg

功耗

120W

120W

天线口径

125mm

125mm

通信波长

1064nm

1064nm

调制方式

BPSK

BPSK

之后,ESA为了推进星间激光通信的实用化,制定了欧洲数据中心卫星(European Data RelaySatelliteEDRS)计划:通过中继星与地面站之间的微波通信,将星间高速光通信与地面通信连接起来形成一个混合式的通信网络,目的是利用星间的高速激光通信来提升整个通信网络的信息传输能力。该计划于2013年开始实施。

4 激光通信的关键技术

空间激光通信主要有以下几点关键技术:

(1)大功率光源技术

鉴于空间光通信传输距离长及空间损耗大的特点,要求光发射机输出功率大,且调制速率高。光源一般采用半导体激光器或半导体泵浦的YAG固体激光器,既可作为信号光源,也可作为信标光源。工作波长为0.8 -1.5μm近红外波段。信标光源应能提供几瓦量级的连续光或脉冲光,以便在大视场与高背景光干扰下,能快速、精确地捕获和跟踪目标,可采用大功率单管或多管芯阵列组合以提高功率。通常信标光的调制频率为几十赫兹至几千赫兹,以克服背景光的干扰。信号光则选择输出功率为几十毫瓦的半导体激光器,要求输出光束质量好、发散角小,调制频率高(可达几十GHz)。

(2)高灵敏度抗干扰的光信号接收技术

空间光通信系统中,光接收机收到的信号十分微弱,加之高背景噪声场的干扰,导致接收端信噪比(S/N)<1。为了快速、精确地捕获目标和接收信号,通常采取两方面的措施:一是提高接收端机的灵敏度,二是对所接收信号进行处理。在光信道上采用光窄带滤波器(干扰滤光片或原子滤光器等),以抑制背景杂散光的干扰,在电信道上则采用微弱信号检测与处理技术。

(3)精密、可靠及高增益的收发天线

为完成系统的双向互逆跟踪,空间光通信系统均采用收、发合一天线,隔离度近100%的精密光机组件。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)总体结构要紧凑、轻巧、稳定可靠。目前天线口径一般为几厘米至25 cm。

(4)高灵敏度抗干扰接收机技术

星间距离可长达4万km,而激光波束的强度是按距离的平方递减的,也就是说衰减可能达到-152 dB。接收机要有超高的灵敏度才行,否则背景辐射等噪声产生的误码率将使接收机无法接收。目前,除提高检测器本身灵敏度外,还在探讨外差接收及纠错编码等途径。

(5)精确的瞄准、捕获和跟踪(PAT)技术

激光信标发射的光束很窄,在相距极远(4万km)的两卫星之间,必须保证信标的发射波束能够覆盖接收机的接收天线,接收端能够捕捉并跟踪发射端的窄光束。由于姿态监测控制系统误差、参照系计算误差以及其它系统误差的存在,在收发双方互相对准之后总有一个不确定角。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,为几毫弧度,灵敏度为-110 dbW,跟踪精度为几十毫弧度。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,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-90 dbW,跟踪精度为几微弧度。太阳光为地球表面的云层、积雪和海洋反射所产生的强烈背景辐射。对于GEO和LEO之间的通信链路建立,这是一个巨大的挑战(此外还有太阳、月亮、金星等天体的背景辐射)。

5 激光通信技术的发展趋势

5.1 激光通信技术由技术验证向工程应用阶段发展

激光通信技术正在由技术验证阶段、技术定型阶段向工程应用阶段方向发展。其技术发展方向如下:

l  技术验证阶段(2012-2014):演示验证星上终端技术、星地对接技术;

l  技术验证阶段(2012-2014):建立技术标准化,包括:与平台的数据交换技术;瞄准、捕获、跟踪(Pointing,Acquiring and Tracking,PAT)技术;数据编码技术(OOK/PPM、BPSK、DPSK);高速光信号调制和解调技术等;新型的轻量化终端结构技术。

l  工程应用阶段(2020-2025):光学终端研制、光学终端飞行验证。

5.2 通信速率由低码速率向高码速率方向发展

通信速率不断提高,从最初的2Mbps已经发展到当前的Gbps量级,将来的规划已经达到几十Gbps量级,逐渐发挥空间激光通信的技术优势。早期激光通信主要集中在800nm光波波段,该波段各种技术相对成熟、器件性能可靠、成本较低,但是其主要的缺点是在该波段上应用的激光器及Si-APD探测器带宽有限。因此,通信码率较低,一般小于1Gbps。目前,采用1550nm波段进行激光通信,可以充分利用1550nm波段激光发射、接收组件高带宽的特点,并将地面光纤成熟技术直接应用到通信上,实现通信码率的提高。

5.3 激光通信与激光测距复合使用

由于激光测距与激光通信在系统组成、信号捕获、处理方式等具有一定的相似性,因此,可以把它们复合到一起,实现一个功能整体,完成测距与通信功能。2005年John J.Degnan提出SLR2000卫星激光测距站的改造方案,将激光测距和激光通信结合起来,这是复合系统的最初构想。此后,俄罗斯完成在轨通信/测距复合实验。2013年美国进行的月地激光通信试验,就带有测距功能。欧洲LISA(Laser InterferometerSpace Antenna)通过距离精密测量反演地球重力波场,相干激光外差完成超远距离下精密距离测量,同时兼具通信功能。

5.4 深空将成为激光通信应用的重要场所

随着对科学任务返回速率要求的不断提高,自由空间光学通信对于满足来自深空的高数据速率链路具有很大的潜力,未来深空领域将逐步应用光学通信。光学通信将能满足未来科学仪器所需的传输速度。例如,火星勘测轨道器(MRO)最大传输速率是6Mbps(目前火星探测任务的最高传输速率),大约需要7.5小时清空在轨记录器,需要1.5小时传输一张高分辨率照片至地球。而光学通信的传输速率将提升到100 Mbps,仅需26分钟清空记录器,传输同样照片的速度仅为5分钟。所以,对于未来深空科学任务而言,研制新型的高速传输终端需求迫切性不言而喻。

6 结束语

激光通信能够突破射频通信传输速率低的瓶颈,其通信终端具有体积小、质量轻、功耗低等特点,能在降低部署空间探测器成本的同时,为实时通信和3D高清视频提供更高的数据传输速率和更好的传输质量。此外,在未来星间、星地,以及面向深空的空间通信主干网中,大容量数据传输通道一定会是由光通信技术来实现,因此具有广阔的应用前景。

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