发展空间激光通信，提高对地观测效能

李英超，胡源，赵义武，丁莹，姜会林

（1.长春理工大学 空地激光通信技术国防重点学科实验室，长春 130022；2.吉林东光集团有限公司，长春 130012）

1 对地观测的意义、趋势及面临问题

1.1 对地观测的意义

对地观测技术与系统用于全球实时探测，在获得地球表面及深部的时空信息中发挥了越来越重要的作用。其主要意义可以概述为以下12个方面。（1）监测灾害，减少损失；（2）监测环境，保护人类；（3）监测能源，造福社会；（4）监测气候，发现异常；（5）监测水源，跟踪循环；（6）监测天气，及时预报；（7）监测生态，促进平衡；（8）监测农业，支持发展；（9）监测生物，保护物种；（10）监测地理，挖掘资源；（11）监测城市，改善管理；（12）监测军事，保证安全。

1.2 对地观测的发展趋势

1.2.1 向高分辨率方向发展

对地观测的空间分辨率由最初的几米（地面分辨率），发展到现在的0.5m（美国的高级 KH-12军用卫星达到0.1m），下一代目标是0.06m左右。光谱分辨率由最初的36个波段，发展到现在的256个波段，下一代目标是400个波段左右。时间分辨率也在不断的提高。

图1 美国“地球之眼－1”商用卫星（分辨率0.41m）拍摄的图片Fig.1 The photo of American commercial satellite(the resolution is 0.41m)

图2 汶川地震中无人机及意大利COSMOS卫星（分辨率0.5m）拍摄的北川县城遥感监测图片Fig.2 The remote sensing image of the BeiChuan by the unmanned vehicle and the COSMOS satellite(the resolution is 0.5m)

1.2.2 向网络化方向发展

对地观测将组建多层次、立体化、多角度、全方位和全天候的天空地一体化网络系统。由多种轨道上不同卫星相结合，再由卫星、飞机及多种浮空器相结合组成观测平台网；由地球观测遥感器、数据处理器和高速率通信系统组成动态的综合的对地观测体系，为多种用户提供实时的全球对地观测数据服务。

1.2.3 向国际大协作方向发展

目前，全球有数以千计的科技装置用于对地观测，海洋上有几千个数据浮标，陆地上有几千个观测台站，还有大量的卫星等飞行器参与对地观测。尽管各国对地观测的实用性和统一性有了很大进展，但各种对地观测资料的收集、整合、存储、分析与共享还不完备，其中大部分数据是分散的，缺乏快速的互传与统一的接口。所以，国际上有71个国家参加，于2005年组成了政府间对地观测协调组织，中国气象局局长被选为联合主席之一，目的是形成全面的、共享的和可持续的全球综合对地观测系统。

1.3 我国面临的主要问题

我国的对地遥感观测技术经过30多年的发展，特别是近15年的努力和国家的大力支持，其信息获取能力已经有了明显的提高，形成了谱段较全、学科和技术门类较完整的卫星和机载观测系统，在一些应用领域显现出不可替代的作用。但和国际相比还有一定的差距，我国对地观测事业任重而道远，所面临的主要问题有：

（1）从总体上看，我国目前处于以观测和监测为主的阶段，尚未形成全天候、全天时和全球视野的遥感观测与侦察能力；快速反应能力较差，预测与预警能力薄弱；在数据共享、服务规范等方面也都存在较大差距。

（2）从技术上看，一是缺乏高分辨率的、即时的和准确的遥感数据，二是对地观测数据的通信能力较弱，带宽有限，影响了信息的快速传递与应用，同时迫使数据压缩传输，降低了分辨率。正如《国家中长期科学与技术发展规划纲要》指出的：“高分辨数据主要依靠国外，未形成完整的对地观测体系”。

专业教育干预促进了社区药师的道德推理能力的发展；评估加利福尼亚州药学和医学生的饮食和生活习惯；药学生领导行为激励因素的定性研究；提高药学生健康素养和自信心的互动式多元化途径；学生焦虑程度与考试合格率负相关；药学前工作经验对学生药师职业认同的影响；学术道德，对于药学生的诚信教育；改善药学生的睡眠质量；职业机密性要求；健康知识与学习成绩的关系；学生对沟通技巧的自我评估与教师对他们沟通技巧评估结果的比较。主要关注的是药学生的身体和心理健康、学术道德、同情心、领导力的发展以及职业认同感。

（3）从解决途径上看，一是在信息获取方面，要努力提高分辨率和测量精度；二是在信息传输方面，既要解决海量数据的大容量实时传输，又要解决信息传输的保密、抗干扰等问题。

2 空间激光通信技术在对地观测中的应用前景

空间激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。由于空间激光通信的一系列优点，它已成为解决微波通信瓶颈，构建天基宽带网，实现对地观测海量数据实时传输的有效手段，具有很大的民用和军事应用潜力。

（1）卫星(包括各种航天器)之间、卫星与地面站之间的通信目前主要采用微波手段，而光波比微波频率高3－4个数量级，作为通信的载波有更大的利用频带。目前，对地观测的空间分辨率正在以每10年一个数量级的速度提高，空间激光通信的技术优势可实现高分辨率和多手段组合的海量数据实时传输，对于地球科学研究、环境灾害监测、军事信息获取等应用意义重大。

（2）光波波长短，与微波相比其发射天线口径成倍减小，同时激光发散角小、能量高度集中，功率相对较低，使得通信终端在体积、重量和功耗方面都具有明显优势。该特点使得光通信终端易于搭载各种平台，实用化程度高。对于构建地观测天基信息网将起到推动作用。

（3）激光通信的高指向性使它的发射光束极窄，方向性好。通常激光光束的发散角都在毫弧度量级，甚至微弧度量级，因此接收区域很小，能够有效地提高防窃听的能力，使得对地观测数据传输具有极高的保密性。

（4）光波波段远离电磁波谱，采用空间激光通信不会像电信号那样受到电磁信号干扰，其抗干扰能力远远强于比微波通信。在机场、战区等特殊环境下，仍能够保证对地观测数据的顺畅传输。

（5）空间激光通信，其经过大气信道链路受气候及天气的影响较大，但是通过选择适宜的波长、采用多点布站、与其他传输手段的优势互补等措施可以有效减少这些影响。

表1 典型空间激光通信试验列表Tab.1 Tab of the classical space laser communication

因此，先进的空间激光通信将为对地观测技术的发展起到极大的促进和支撑作用，并使对地观测的效能进一步提升。

3 空间激光通信的发展态势

近几年来，美国、欧空局各成员国、日本等国极其重视空间激光通信技术发展，对各项关键技术展开了全面深入研究，并已取得突破性进展，成功地实现了多条链路之间的光通信试验，为对地观测技术与高速率激光通信技术的结合奠定了技术基础。

我国空间激光通信研究与欧、美、日相比起步较晚，已进行了关键技术、原理样机和野外试验等研究，并开始部分工程化研究。开展空间光通信研究的单位主要有哈尔滨工业大学、北京大学、电子科技大学、上海光机所、航天504所、长春理工大学等。

4 对地观测用空间激光通信的发展目标及关键技术

4.1 发展目标

对地观测用激光通信技术，未来的主要发展目标是：（1）通信平台—卫星（GEO、LEO等），临近空间平台（高空飞艇、高空无人机等），飞机（专用飞机、预警机等）。（2）通信速率—1.5～40Gbps（根据使用要求不同）。（3）通信距离—20～45000km（根据使用要求不同）。（4）通信波长m等。（5）误码率—106～109（根据使用条件不同）。（6）光端机重量—约20～100kg（根据使用要求不同）。

4.2 主要关键技术

4.2.1 高功率、高调制速率的激光发射技术

随着通信距离的增加以及传输信息容量的提高，高功率、高速率的激光发射技术是空间激光通信发展的需求。高功率、高传输码率调制和解调技术需要研制高效、低耗、稳定、长寿命的激光光源。目前采用的激光光源多数为半导体激光器，也有部分系统使用固体激光光源，光纤激光光源的空间适应性正在研究中。此外，在空间环境中，激光器的温控也是保证其性能参数的重要环节。

4.2.2 高灵敏度、抗干扰的光信号接收技术

在空间信道环境下，由于通信距离远、空间损耗大，接收到的光信号往往十分微弱，特别是在大气信道环境下，还伴随着大气湍流和背景光的干扰。这就要求激光通信接收机具有高的探测灵敏度，有抗背景噪声干扰的能力。其探测灵敏度最高达到nW-pW量级;在后续电信道上则采用微弱信号检测和处理技术。

4.2.3 高精度的捕获、瞄准和跟踪(APT)技术

为了减小发射功率，远距离激光发射通常采用的是微弧度量级的窄光束，因此，在两个相对运动，且存在平台扰动的终端之间快速、高概率的成功建立起通信链路，高精度地捕获、瞄准、跟踪(APT)是实现的前提。通常由粗、精跟踪两个环节构成，根据不同的任务采用机械转台、光学摆镜、振镜等不同的伺服机构。

4.2.4 发射接收光学天线设计技术

作为整个空间激光通信功能的载体，光端机发射接收光学天线的成功研制是实现通信的前提。对于孔径较大的天线，可采用反射式，有助于降低制造难度，提高其可靠性、减轻重量;而当天线孔径较小时，则选用透射式。

4.2.5 大气信道的抗干扰技术

大气对激光通信的干扰是制约高速率通信链路实现的重要因素。研究大气影响链路性能的解决方案，对实现空地激光通信链路具有非常重要的意义。目前主要采用增加天线口径、多孔径发射、地面站选址、自适应光学等方法。

5 展望

5.1 进一步拓宽遥感波段，实现全波段观测与信息传输

对目前常用的可见光、红外光、微波等遥感波段进行拓展，引入太赫兹等波段，是实现全波段对地观测与信息传输的重要手段（如图3所示）。

图3 波段分布图Fig.3 Diagram of wavelength distribute

其中，太赫兹波段介于微波与远红外光之间，具有比微波更好的方向性和更大的信息传输容量、比红外光更强的大气透过能力，可实现全天候通信。因此，太赫兹波在对地观测和信息传输方面具有广阔的应用前景。

5.2 进一步提高传输速率，实现观测信息传输实时化

目前遥感终端获取信息的能力高于数据传输系统的传输能力，而且，遥感信息与传输能力之间的矛盾越来越严重，如高分辨率遥感卫星，要求传输速率达到几十Gbps，甚至更高，空间激光通信技术在进一步提高传输速率上将会有更大作为。

5.3 组建信息传输网络，实现天空地观测一体化

未来15年，人类将进入网络化对地观测的新时代。这样的天空地一体化全球对地观测网络，能够准确有效、快速及时地提供多种空间分辨率、时间分辨率和光谱分辨率的对地观测数据；缩短重放周期，提高观测频度，实现高时效性；降低对地观测系统对大型、昂贵的卫星平台和众多传感器的依赖程度，节约资源；解决应急空间中突发事件数据的及时传输。随着空间激光通信技术与日趋完善，利用激光通信组建空间信息传输网络已成为大势所趋。

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