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中国FAST望远镜已接收到1351光年外脉冲星信号
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卫星光通信系统及其发展
摘要：卫星光通信光通信由于其保密性能高，传输容量大，已经被应用到空—空、空—地等需要海量数据传输的场景中。国外光通信发展已经达到了实用阶段。国内由于器件研发尚不成熟，目前空通信也是处在实验阶段。本文分析了国际上近几年的空间光通信发展动态。
关键词：卫星光通信 1引言 光通信是人们经过多年探索并于近几年取得突破性进展的新技术。而卫星光通信更是一种崭新的空间通信手段。利用人造地球卫星作为中继站转发激光信号，可以实现在多个航天器之间以及航天器与地球站之间的通信。其传输速率高、可利用频带宽、安全性（可靠性）高、保密性强、终端设备体积小、质量轻、功耗低等优点吸引着各国专家锲而不舍地探索。近几年，美国、欧空局各成员国、日本等国都对光通信技术极其重视，对卫星光通信系统所涉及的各项关键技术展开了全面深入的研究，目前在光通信领域已取得突破性进展，成功地实现了卫星—地面、卫星—卫星之间的光通信试验，预计最近几年就将进入实用化阶段。 我国已经开展了卫星光通信技术的研究，进行了卫星光通信系统的计算机模拟仿真分析以及初步的实验室模拟实验研究，目前正在进行卫星光通信关键技术的研究。随着卫星光通信技术的不断成熟，我国也将这种通信技术应用于未来各种卫星组网，以便实现它们相互配合协同工作。 随着卫星激光通信关键技术的突破和激光所具有的优势逐步体现，业界的专家达成一致意见：面对日益增长的高数据率和大通信容量的需求，必须用光通信来实现卫星通信。未来世界的通信体系将是一个天上卫星光网和地面光纤光网连接一起的空地激光通信体系，如图1所示。
图1 空地激光通信体系 1 国际卫星光通信发展现状 1.1 美国卫星光通信的发展
美国卫星光通信开展得较早，20世纪70年代即开始相关研究。但是由于美国初期的卫星光通信研究往往由政府或军方主导，保密性较高。随着欧洲和日本卫星光通信的成功，越来越多的商业公司开始进入卫星光通信市场，美国卫星光通信的研究也变得开放和兴盛起来。
美国进行卫星光通信的领导机构是美国宇航局(NASA)和美国空军军方，主要的科研单位是加州理工大学的喷气动力实验室和麻省理工学院的林肯实验室。许多大公司，如Thermo Trex公司、Ball Aerospace公司等也进行了很多研究工作。以下介绍几个比较有代表性的研究成果：
(1)Thermo Trex公司的研究成果
Thermo Trex公司为美国军方进行光通信研究。他们建立空地激光链路的依据为：鉴于对流层大气的情况较为复杂，而平流层大气的情况较简单，可以利用在平流层中的飞机与卫星建立激光链路，将卫星下传的数据进行处理压缩后，再利用微波或激光发送到地面站，从而减小对流层大气对激光链路的影响。Thermo Trex公司研究成果中最特殊的一点就是首次将原子滤波器(FADOF)引入到跟瞄(APT)系统中，FADOF的带宽可以窄到0.01 nm，对本底光噪声有很强的抑制作用。实验表明，可以在大视场角(FOV)下取得较高的信噪比，从而实现对目标的快速捕捉和锁定。
(2)激光通信演示系统
激光通信演示系统(OCD)由NASA支持的喷气动力实验室研制，其研制目的是实现一个可用于星地通信工程模型的激光通信实验设备，是一个基于实验室的演示系统。OCD的设计集中了当时很多先进的技术，比如光束获取、高带宽的跟踪、精确光束瞄准和前馈补偿等技术。设备结构上包括：一个直径为10 cm的光学天线、一个用于空间获取的电荷耦合检测器(CCD)阵列、高带宽跟踪装置以及光纤耦合发生装置。设计通信数据率为250 Mb/s～1 Gb/s(近地实验时)，采用844 nm的通信波长和开关键控(OOK)方式进行快速数据调制。虽然OCD系统并没有进入实用化，但是其设计思路为后来很多喷气动力实验室的研究提供了借鉴。
(3)国际轨道空间站光通信研究
喷气动力实验室利用OCD系统成熟的研究技术，为国际轨道空间站(ISS)工程研究和技术发展计划(ISSERT)研制了光通信演示和高速率链路设备(OCDHRLF)[5]。该系统的目的是在近地轨道(LEO)距离上实现ISS与地面光学望远镜的激光通信链路。其设计通信数据率为2.5 Gb/s。空间站和地面的光学终端直径分别为10 cm和100 cm。其中ISS上使用的通信波长是可以与地面光纤通信技术接轨的1 550 nm波长(不同于OCD)，信标光使用980 nm波长。
(4)STRV-2实验
20世纪80年代末90年代初，美国弹道导弹防御组织(BMDO)开始支持空间技术研究卫星2(STRV-2)研究。该研究目的在于演示LEO卫星TSX-5与地面站间的上行和下行激光通信，验证卫星与地面间的每秒吉比特速率通信是否可行。STRV-2的设计采用直接调制半导体激光发射和雪崩光电二极管接收。跟瞄装置采用二极管激光(852 nm波长)作为信标光，CCD成像器接收，铯原子线滤波器做本底光抑制。整个通信终端包括电子设备重14.5 kg，设计通信链路长度最大为2 000 km。
STRV-2实验系统采用了极化复用通信技术来提高通信速率，其设计通信速率为卫星到地面500 Mb/s×2和地面到卫星155 Mb/s×2。在天线设计上，发射端和接收端相互分离，TSX-5卫星上终端天线直径为1.6 cm(发射)和13.7 cm(接收)，地面站上天线直径为30.5 cm(发射)和40.6 cm(接收)。同时为了减轻大气闪烁的作用，STRV-2系统采用了多个发射孔径，其中星上终端4路，地面终端12路。 TSX-5卫星于日发射升空，但是由于其ATP系统采用的是开环获取，即根据已有的星历表等轨道参数来进行跟瞄，而系统设计所依据的星历表与实际情况有误，所以卫星上光通信终端无法捕获到地面光通信终端发射的信号，使得STRV-2星地激光链路实验宣告失败。
(5)同步轨道轻量技术实验
日，美国军事侦察局(NRO)的同步轨道轻量技术实验(GEOLITE)卫星成功发射进入轨道。GEOLITE上携带了一个实验用的激光通信端机和一个工程用的超高频(UHF)通信设备，以进行激光通信试验和宽带通信试验。麻省理工学院的林肯实验室负责激光通信端机的设计。NRO对外宣布本次卫星实验非常成功，实现了激光通信链路，但未见进一步的详细报道。
(6)火星激光通信演示系统
NASA还进行了火星激光通信演示系统(MLCD)研究。该系统由NASA、加州理工大学的喷气动力实验室和麻省理工学院的林肯实验室联合研制，目标是建立火星与地球行星距离的激光通信。设计的通信数据率为1～100 Mb/s，这是以前微波射频深空通信所无法比拟的。星上终端采用直径30.5 cm的天线，CCD成像接收，发射采用由半导体激光振荡器和掺铒光纤放大器(EDFA)组合而成的主振荡器功率放大器(MOPA)结构提高发射功率，采用脉冲相位调制(PPM)。地面终端采用1 m光学天线，4路多光束发射(另一种方案是6路直径30 cm光学天线多光束发射)。整个链路的通信波长采用1 060 nm可结合光纤技术的激光波长。 1.2 日本卫星光通信发展现状
日本开始进行星地光通信研究的时间较美国要晚一些，但是他们的研究发展迅速，并于1995年与美国喷气动力实验室一起实现了世界上首次星地光通信链路，从而证明了星地光通信是可行的。日本卫星光通信的主要研究机构是邮电省的通信研究实验室(CRL)和日本宇宙开发事业团(NASDA)。日本电气公司(NEC)和东芝公司(Toshiba)也担负了一部分通信设备的研究。
CRL是日本进行星地光通信研究的领导机构，他们制订了详细的计划，集中了很多人力、物力进行研究，研究分3步实行： 第一步采用0.8 μm波长的中等速率的通信系统(300 Mb/s×4)和1.5 μm的高速率通信系统(1.2 Gb/s×2)，已于2002年完成。 第二步将中等速率的通信系统进入实用化。同时研究0.8 μm波长的中等速率的通信系统(1.2 Gb/s×4)和1.5 μm波攻的高速率通信系统(10 Gb/s×2)，计划2006年内完成。 第三步将高速率通信系统实用化。
目前日本星地光通信方面有激光通信实验(LCE)和激光通信实验装置(LCDE)两个比较有代表性的研究。
(1)激光通信实验
日本的工程测试卫星6号(ETS-VI)上所搭载的LCE装置实现了世界上首次的星地激光链路。工程测试卫星6号于1994年8月发射升空，由于推进火箭故障，没有进入预定的地球同步轨道(GEO)，缩短了生命周期。但通过CRL和美国喷气动力实验室的合作，采用了新的硬件和软件方法基本完成了全部测试。成果如下： 成功地实现了捕获和跟踪。在1994年12月和1996年7月期间实现了多次激光链路通信。 全双工通信。ETS-VI和地面站之间采用强度调制、直接探测技术实现了上行(510 nm波长氩离子激光)和下行(830 nm波长，13.5 mW砷化铝镓激光)链路。传输数据率为1.024 Mb/s，通信距离大于40 000 km。卫星上收发天线直径7.5 cm，地面接收天线直径1.5 m，发射天线直径20 cm。 测量了上行和下行链路光束的传播特性。 对光学器件在太空环境中的性能进行了测试。实验中还发现，由于卫星上跟瞄采用机械装置，其平台的振动对跟瞄质量有较大影响，采用闭环方式较开环方式能更好地抑制振动的影响。
(2)激光通信演示实验
日本在第一个永久性载人国际空间站上设置了名为“希望号”的可装卸式实验舱——JEM，在该舱外的实验平台上搭载了LCDE，用于与地面和其他卫星进行超高速光通信实验。主要参数如表1所示：
1.3 欧洲卫星光通信的发展 欧空局在空间光通信研究中不断采用当代最新技术,它所发展的一系列空间光通信终端 形象地展示了高新技术的发展对其影响。在SIL EX 终端中,采用800nm 左右的GaAlAs 半导体激光器。80 年代末,这种半导体激光器平均功率60mW ,它限制了SIL EX 终端数据率的提高,在L EO 和GEO 终端光学望远镜孔径都是25cm 的条件下,SIL EX 终端从L EO 向GEO传输数据率为50Mbps ,且SIL EX 终端的质量是157kg ,功耗为150W ,这样的SIL EX 终端很难替代RF 终端。 随着技术的不断进展,欧空局开始发展第二代空间光通信系统。ESA 于1992 年1 月开 展研制精巧的小光学用户终端(SOU T) 计划[8 ] 。SOU T 计划不再采用相同的L EO 与GEO 终端,而是采用较小的L EO 发射机来集中发展一种不对称的系统,以减少对空间飞行器的限制。由于SOU T 终端采用发射功率达1W 的、具有与SIL EX 终端相同波长的半导体激光器,在发射天线直径为7cm 时,数据率可达到420Mbps ,同时,功耗降为40W ,质量仅为25kg。SOU T计划在1994 年12 月顺利完成。 继SOU T 计划后,1995 年ESA 开始进行改进SOU T 终端的ARTES24 合作计划。该计划研究由SOU T 终端向新型终端———SOTT 终端转变所需全部技术。由于采用新型的MOPA(主振荡能量放大) 半导体激光器而使通信容量大增。目前,SOTT 计划正向着数据率1Gbps和星间距离达到83000km 的GEO2GEO 链路(如在the Hughes Spaceway 系统中那样) 发展。 ESA 近年发展了一种引人注目的甚小光学用户终端VSOU T[8 ] 。该终端采用衍射光学元件替代以往的透镜组,并采用可以对热膨胀效应进行补偿的玻璃外壳,同时应用先进的微系统设计原理,从而一举使终端质量降到只有10kg ,功耗只有20W。而在发射天线直径为7cm 时,数据率增到520 M即使发射天线直径缩至2. 5cm ,数据率仍可达到66 Mbps。 2 中国星地光通信发展现状
中国卫星光通信的研究相对国际发达国家起步晚，初期主要是器件等条件并不具备。20世纪90年代以来，随着中国激光通信器件的进步和对外开放度的增加，中国的许多科研单位都开始了对于卫星激光通信的研究，在一些领域里取得了突破性的进展。在各大科研单位中，卫星光通信特别是星地光通信开展较好的有北京大学、成都电子科技大学和哈尔滨工业大学等。 2.1 北京大学电子学系研究情况
从20世纪80年代末到90年代初，北京大学电子学系就开始了对于星地光通信的研究。目前，北京大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室正在开拓两个方面的研究：光相控阵和新型星地通信方式。
20世纪90年代初，北京大学在中国首次研制出了原子滤波器(FADOF和VADOF)，并将其使用在卫星光通信的跟瞄技术上，从而取得了重大突破。北京大学利用原子滤波器的超窄带性在大视场角情况下获得了较大的信噪比，同时原子滤波器的多峰和可调谐性也能够很好地克服卫星移动所产生的多普勒效应。北京大学还在光通信的接收方面有所进展，采用了多量子阱器件实现了自差拍接收，同时采用Turbo码+信道交织的编码方式提高了接收信噪比。
光学相控阵(即采用相控阵列光学天线来实现光束的高速偏转)由于具有精度高、没有惯性、响应速度快等特点，成为目前国际上一个热门研究领域，在星地光通信中它可以作为信标光光束瞄准的新方案。北京大学在这方面的研究也有一定的进展[17]。星地光通信方式的目的是在提高通信速率的同时降低误码率，目前北京大学正在开发采用一发多收和高空中继平台的通信方案，从波长、信道、系统等多方面研究最佳光信号检测方式和信号处理技术。 2.2 其他单位研究情况
电子科技大学物理电子学院的激光通信实验室从20世纪90年***始进行卫星光通信的研究，主要研究方向是：大气信道对空地光通信的影响及相应解决方案、APT技术与系统设计、调制/解调和光学编码方案、背景光抑制、光学天线设计、卫星激光通信系统实验仿真等。研究成果某些方面已接近国际水平。
哈尔滨工业大学可调谐激光实验室从20世纪90年代初开始卫星光通信的研究，分别在卫星APT技术和扫描方案、卫星振动对误码率的影响和消除方案、恒星背景噪声抑制、卫星激光通信系统设计方面取得了一定的进展。主要发展重点是建立卫星间激光链路，目前已进入工程化实用阶段。2005年开始，他们对于月地之间激光链路的建立的可行性进行了一定的探索。
武汉大学激光通信实验室、中国科学院上海光学精密机械研究所等科研单位也对卫星间光通信进行了一些探索性研究。 3 空间光通信发展展望 近年来的商业需求和空间信息公路、信息高速公路的发展,对卫星间激光链路技术要求更加迫切,这些已经作为美国、欧洲、日本等国发展该方面技术的动力,并正向商业应用转化。 现在空间光通信系统发展的趋势主要是: (1) 空间光通信系统的应用正在向低轨道小卫 星星座星间激光链路发展; (2) 激光星间链路用户终端向小型化、一体化方向发展; (3) 低轨 道小卫星星座激光链路正进入商业化、实用化发展阶段。 在空间光通信研究的前期,主要是以中继星为应用背景。然而,随着小卫星星座的迅猛发 展,国外对第二代中继星的兴趣已经下降,对小卫星星座的兴趣大大增加。空间光通信研究工 作,已经开始逐渐从以中继星为主要背景转到以小卫星星座为应用背景上。可以预见,研究重 点将会逐渐转移到小卫星星座星间激光链路的研究上。基于此点,对小卫星星座星间激光链 路的研究工作将在空间光通信的研究中占有重要地位。 结束语
对卫星光通信技术的研究在美、欧、日等国已开展了近20年,但是前些年由于受到元器件技术的限制发展较慢。 进入90年代,随着元器件技术的成熟和发展而进入商业化发展阶段.。特别是小卫星星座的迅猛发展,使得对小卫星星座的星间光通信更加重视。利用小卫星星间光通信实现全球个人移动通信,已不是遥远的事情了. 我国虽然在此方面的研究工作开展较晚。但由于卫星光通信的元器件及技术已成熟,同时又有国外经验借鉴,如抓紧机会，定会在较短时间内赶上世界发达国家研究水平.。因此,我国应该尽快投入人力、物力,全面开展卫星光通信的研究工作。只有这样,我国才能在将来的全球卫星商业通信中处于领先地位。
参考文献 1）欧洲卫星间光通信发展现状：刘华、胡渝
电子科技大学应用物理所，成都，）国际卫星光通信技术发展：谭立英、马晶、林维秋
哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室，哈尔滨，150001 3）卫星激光通信技术发展现状及未来前景展望：王晓海 中国航天2004年第6期 4）卫星光通信系统及其发展：谭立英、马晶
哈尔滨工业大学哈尔滨150001 ；黄波
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