【技术·航天】国外卫星激光通信技术发展分析

為何

感谢作者：航天系统部装备部  谢珊珊    中国航天系统科学与工程研究院  梁晓莉
传统卫星通信频谱资源有限，为更好地满足激增的数据传输需求，国外开始发展卫星激光通信技术，该技术目前已进入快速发展阶段。2021年，美国太空发展局发射4颗“下一代太空体系架构”关键技术验证卫星，验证星间及卫星与无人机之间的激光通信技术。因此，卫星激光通信技术已成为构建天基信息网络的重要技术途径，其发展值得持续关注。
随着航空航天遥感平台数量越来越多，以及高分辨率相机、合成孔径雷达等技术的发展，所获取图像的质量越来越高，对大容量数据传输的需求呈指数级增长。然而，以微波为媒介的传统卫星通信技术受带宽限制，数据传输容量和速率已经难以大幅提高。因此，国外从20世纪60年代中期开始研究卫星激光通信技术，在90年代进行试验验证，当前正在快速推进该技术发展。虽然该技术仍有关键技术待突破，但其未来应用前景依旧广阔。
一、概念及特点
进入21世纪以后，在美国国防部的组织下，多部门先后开展了5次固体火箭发动机工业专项能力评估，并在4次年度国防工业能力评估中涉及了固体火箭发动机工业能力评估，每份研究报告从不同角度对固体火箭发动机工业能力进行了评估，总体结论是美国固体火箭发动机工业处于衰退期，目前处在维持生存状态，给未来美国航天与导弹武器装备建设带来重大风险。
卫星激光通信技术是新兴的空间高速数据传输技术，传输容量大，能与其他通信技术充分融合，减少中间的解码过程，为实现高速连接提供新手段。
（一）概念
激光通信利用激光作为信号载波，将语音和数据等信息调制到激光上进行传输。按照激光传输环境的不同，卫星激光通信分为两类：一是真空环境下的激光通信，即星间激光通信，主要应用于真空环境中的设备，如卫星与卫星、飞船、空间站等之间的通信；二是在大气环境下进行的激光通信，即星地激光通信，这种通信技术应用比较广泛，如用于卫星与地面、海上用户及空中飞行器的连接等。
（二）特点
相较于传统卫星微波通信技术，卫星激光通信技术具有以下技术特点和优势：（1）通信容量大。激光的频率比微波高3～4个数量级，频段更宽，短时间内可传输大量数据。（2）通信速率高、功耗低。激光通信的速率能达到10Gbit/s，甚至更高；传输过程中能量集中，不易分散，功耗也比微波低。（3）抗干扰能力强。激光的束散角极窄，不容易被侦收和干扰。
但是，卫星激光通信容易受到外界因素的影响：（1）大气层的影响。雾、雨、雪、雹等气象条件都会对激光的传播造成衰减；热晕、大气湍流、空气中的悬浮颗粒会造成光束质量下降。（2）空间环境温度变化的影响。激光通信设备的各个功能模块安装在卫星平台的不同位置，存在温度梯度；不同材料有不同的膨胀系数，温度梯度会造成机械结构变形，从而影响系统的安装、指向与跟踪瞄准精度。（3）背景光的影响。太阳光和月光等都可能对卫星激光通信的链路产生干扰，造成传输性能下降和可靠性降低。（4）平台振动的影响。卫星平台固有的随机振动和姿态调整会加大激光通信设备的捕获、跟踪与瞄准难度，严重时会造成跟踪的不稳定，使接收信号质量下降。（5）相对运动的影响。星间和星地激光通信的收发设备间存在着较大的角速度和角加速度，将造成光束指向的不确定性，同时也会增加信标跟踪瞄准的设计与制造难度。
二、发展现状
欧洲、美国、日本都通过多项研究计划推动卫星激光通信技术发展。当前，星间激光通信技术已经实现业务运行，星地激光通信技术仍在试验阶段。
（一）欧洲卫星激光通信技术发展现状
欧洲自20世纪80年代中期开始研究卫星激光通信技术，是全球卫星激光通信技术发展最快的地区。
星间激光通信方面，欧洲进行了全球首次星间激光通信技术、相干激光通信技术验证，已验证的星间激光通信速率是全球最高的，并率先实现星间激光通信技术业务运行。欧洲于2008年通过“X频段陆地合成孔径雷达”项目试验，星间激光通信速率达到5.625Gbit/s，为全球最高，通信距离3700～4700km、持续时间50～650s、误码率优于10-9。2016年开始提供服务的“欧洲数据中继系统”是全球首个实现星间激光通信技术业务运行的系统，每天可传输50TB的数据量。该系统的星载激光通信载荷由德国特萨特太空通信（Tesat-Spacecom）公司和德国航空航天中心研发（见图1），质量56kg，采用波长1064nm的钇铝石榴石晶体（Nd:YAG）固体激光器，利用相干零差检测方式提高探测灵敏度；能够连接轨道高度600～800km的低轨卫星与地球静止轨道卫星，最大作用距离为4.5万千米，最高数据传输速率为1.8Gbit/s；激光通信链路的整个捕获、跟踪瞄准和建立连接过程可在55s内完成，并能够在7.8km/s的相对速度下保持连接，跟踪精度约为2μrad。
星地激光通信方面，欧洲成功验证地月激光通信、低轨卫星与地面激光通信，于2004年和2006年分别通过月球探测器项目和“轨道光学通信工程试验卫星”项目进行技术验证，地月通信距离达15万千米，低轨卫星与地面通信距离600～1500km，上行和下行传输速率分别为2Mbit/s和50Mbit/s。



图1 “欧洲数据中继系统”搭载激光通信载荷

（二）美国卫星激光通信技术发展现状
美国自20世纪60年代开始研究卫星激光通信技术，是全球最早研究卫星激光通信技术的国家。星间激光通信方面，美国重点聚焦卫星激光通信载荷的小型化，目前正在开展小卫星传感器项目，研制质量不超过0.9kg、功耗不超过3W、工作波长1550nm的小型激光通信载荷。太空发展局于2021年发射了4颗“下一代太空体系架构”关键技术试验卫星，包括2颗“曼德拉”2卫星和2颗“激光互联和组网通信系统”卫星，主要用于验证星间及卫星与MQ-9无人机之间的激光通信技术，传输距离约2400～5000km，通信速率5Gbit/s。除美国政府外，美国太空探索技术公司正在建设的“星链”低轨卫星星座也采用激光星间链路。在2020年9月的测试中，该星座的星间激光通信速率已超过100Mbit/s；2021年1月发射的“星链”卫星均搭载激光通信载荷（见图2），以进一步测试载荷性能，并提高该星座的信息传输速率。未来，每颗“星链”卫星的前、后、左、右将分别搭载1个质量为1.5kg的激光通信载荷，用于与附近的卫星进行通信。



图2 2021年1月发射的10颗“星链”卫星（火箭上面级载荷适配器最下方）均搭载激光通信载荷

星地激光通信方面，美国是全球深空激光通信技术水平最高的国家，已验证地月激光通信技术、适用于立方星的激光通信技术。美国于1995年通过“星地激光通信演示验证计划”，实现通信距离大于3.74万千米、1.024Mbit/s的数据传输速率；2013年，通过搭载在“月球大气与尘埃环境探测器”上的月球激光通信验证器载荷，验证了地月激光通信技术，星地下行链路传输速率622Mbit/s、传输距离40万千米；2018年，通过“光学通信和传感器验证”立方星，成功完成世界首次立方星下行激光通信技术验证，数据传输速率100Mbit/s，达到同等大小卫星的50倍；正在开展的“激光通信中继演示验证”和“深空光通信”等项目将进一步推动其深空激光通信技术的发展。“激光通信中继演示验证”星载激光通信载荷的光学模块（见图3）包括1个反射望远镜和1个空间采集探测器，其中，反射望远镜口径10cm，可产生发散角为15μrad的下行波束；空间采集探测器的视野为2μrad，可接收上行信号。“深空光通信”的星载激光通信载荷工作波长1550nm、口径22cm、平均功率4W。



图3 “激光通信中继演示验证”星载激光通信载荷的光学模块

（三）日本卫星激光通信技术发展现状
日本从20世纪90年代开始与欧洲和美国合作，为其研究卫星激光通信技术奠定了基础。
星间激光通信方面，日本是继欧洲后第二个实现星间激光通信技术业务运行的国家，2020年发射“日本数据中继卫星”1。该卫星在地球同步轨道运行，设计寿命10年，可为“情报收集卫星”提供数据中继服务；搭载“光卫星间通信系统”载荷，星间链路传输速率达1.8Gbit/s，星地链路采用Ka频段。
星地激光通信方面，日本在全球范围内首次验证微小卫星实现激光通信的可行性，在20世纪末、21世纪初通过与美欧合作“星地激光通信演示验证计划”
“轨道光学通信工程试验卫星”等项目，积累了一定的技术基础和经验。2017年，日本通过“空间光学通信研究先进技术卫星”项目，成功进行量子极限下的微小卫星星地激光通信试验。该卫星质量50kg左右，激光通信载荷质量5.8kg左右，通信速率1～10Mbit/s。
三、发展趋势
根据上述国外正在发展的卫星激光通信技术项目，可以看出该技术的未来发展趋势。
（一）星间激光通信技术将实现一定规模的业务运行
卫星激光通信技术发展初期，国外的工作主要集中在演示验证星上激光通信终端、星地对接等基础技术及关键器件的基础研究上。随着技术的不断成熟，卫星激光通信的研究和应用开始加速，尤其是星间激光通信技术。根据“欧洲数据中继系统”项目计划，在2025年前发射第三个数据中继节点，美国“下一代太空体系架构”计划于2028年完成部署等装备建设安排，预计星间激光通信技术将在近几年实现一定规模的业务运行。其中，“下一代太空体系架构”自2020年已开始研制星间激光通信载荷、2021年在轨验证了关键技术，计划2022年发射试验卫星，在轨验证星间激光通信技术，预计传输距离5000km，传输速率至少250Mbit/s、目标为1Gbit/s。同时，美国的“激光通信中继演示验证”和“深空光通信”等项目都将在20212026年进行在轨技术验证，为未来深空探测通信网络和下一代跟踪与数据中继网络建设提供支持。
（二）数据传输速率将进一步提高
早期验证的星间和星地卫星激光通信数据传输速率较低，一般是几兆比特/秒或几十兆比特/秒，主要由于星载激光通信载荷的工作波长集中在800nm左右和1064nm左右。这两个频段的技术相对成熟、器件性能可靠、成本较低，但激光器及雪崩光电二极管探测器带宽有限。数十年来，卫星激光通信技术从理论探索发展到试验研究，从地面验证发展到在轨验证，星间激光通信数据传输速率已经由最初的兆比特级提升至吉比特级。目前，工作波长采用1550nm频段的卫星激光通信系统越来越多，如美国的“激光通信光学有效载荷”和“深空光通信”等可以充分利用1550nm激光发射、接收高带宽组件，并将地面光纤的成熟技术应用到卫星激光通信上，可使数据传输速率达到数十吉比特级。



图4 数据中继卫星可以通过激光连接低轨观测卫星

（三）有效载荷将向集成化、小型化、轻量化发展
为了适应微纳卫星、低轨卫星互联网等的发展对激光通信的需求，国外通过缩小口径、采用轻质材料、提升加工精度等方法，推进卫星激光通信有效载荷实现集成化、小型化和轻量化，使其更适用于立方星等微小卫星。日本首次验证通过微小卫星实现激光通信的可行性后，美国也通过“光学通信和传感器验证”等项目测试了适用于立方星的激光通信载荷技术。未来，美国还将通过“小卫星传感器”项目，在2022年利用2颗12U立方星进一步验证相关技术；质量在50～500kg的“下一代太空体系架构”相关卫星也将搭载星间激光通信载荷，实现星间激光通信在小卫星上的业务运行。因此，适用于微小卫星的卫星激光通信技术将成为未来的发展方向之一。
四、两点认识
卫星激光通信技术具有极大的发展潜力，其军事应用空间巨大，但在实践中仍有需要突破的技术难点。
（一）满足高速率、高抗干扰性的军事通信需求
一方面，卫星激光通信的可用带宽更宽，可更快地传输更多信息，满足部队指数级增长的信息数据传输需求，用于传输通过合成孔径雷达或超光谱成像等产生的大量图像数据，进一步降低通信时延、提升信息传输速率；另一方面，卫星激光通信频段与传统卫星微波通信频段不同，避免了频率干扰，且因不易被侦收，可满足提升抗干扰性的军事通信需求，进一步提升了作战人员间传输信息的安全性。此外，国外正在测试适用于微小卫星平台的激光通信技术的各项性能指标，这将扩展卫星激光通信技术的应用范围。而且该技术与低轨小卫星星座结合，还将进一步降低通信时延。
（二）星地激光通信仍需解决环境影响等问题
星间激光通信技术受大气等环境影响小，技术相对简单，发展相对成熟。但是，星地激光通信的激光束有较长的距离需要在大气层内进行传播，大气吸收、散射及湍流等将衰减激光束能量、干扰和破坏光束的相干性；激光光束穿过地球大气层时，由于大气折射率随海拔高度变化，光束的传输方向发生偏折，加上色散的影响，上下行光路互不重合，星地两端的发射光束不能准确地指向对方，给星地激光通信的捕获、跟踪和瞄准技术带来极大挑战。此外，大功率的激光光束进入大气层后，传输过程中如果接触到人体和物体，还可能对人体和物体造成不同程度的伤害，在人口密集地区存在极大应用局限。

死亦是生

好文。啥时候谈谈x射线通信

咯

中间那段儿“固体火箭”是几个意思？

放纵的年华

固体燃料发射器