国外星地激光通信试验及其链路分析

贾旭 李少辉

（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

1 引言

星地激光通信技术是未来卫星通信技术的一个重要发展方向，与微波通信相比，具有通信容量大、终端体积小和保密性好等优点。现代卫星对地高速数据传输的需求越来越迫切，目前利用新的调制体制和天线极化复用技术，微波星地数据传输速率可达900 Mbit／s，如此高的传输数据速率依然满足不了用户大数据量的下传需求。在卫星体积、重量和输出功率相当的条件下，激光通信技术可以实现几吉比特到几十吉比特每秒的数据传输能力，因此，对于星地激光通信的需求越来越迫切。

典型的星地激光通信链路一般包括光学跟瞄子系统、通信子系统和传输信道（含大气信道）3部分。光学跟瞄子系统主要进行瞄准、捕获和跟踪（PAT），是星地激光通信链路建立与保持的基础，该系统主要考虑的是捕获跟踪策略和对卫星平台的扰动具有补偿能力，一般包括粗瞄准系统和精瞄准系统。通信子系统包括发射部分和接收部分，与链路余量设计相关的因素主要包括：①发送和接收部分：主要有望远镜收发形式、望远镜倍数、发射功率和接收灵敏度等指标。在工程系统设计时，各个指标都是相互制约的，比如，望远镜口径增大必然导致激光通信终端设备体积和重量的增加，可能导致终端不满足卫星的约束条件，通过链路余量设计，可以很好地在各个相关项目权衡，得到最优化方案。②传输信道部分：须要考虑星地激光通信的距离和大气对激光通信质量的影响。星地激光通信须要考虑大气层对激光传输的影响，大气对激光具有吸收与散射作用，同时由于大气始终处于运动状态，还必须考虑大气湍流效应。大气湍流效应对激光传输的影响主要包括：光束漂移起伏、光束到达角起伏、光束扩展与分裂，以及光强闪烁。这些湍流效应的共同作用将影响到整个通信系统的性能。所以，星地激光通信链路设计时，对大气的影响要足够重视。而针对大气各种效应，各个终端一般采用多孔径发射技术实现多激光束传输。针对链路余量设计，可以把大气的影响归结为传输路径上能量的损失。

本文结合国外星地激光通信发展历程，介绍了国外具有代表性的3个激光通信终端的设计指标和试验情况，并列表进行了对比；通过建立激光链路余量计算公式，对国外的典型激光通信试验的链路设计数值进行了复核与比较；提出了链路设计重点和优化建议。

2 星地激光通信发展历程

世界上首次成功进行卫星光通信试验的是日本工程试验卫星-6（ETS-VI），该试验被命名为“星地激光通信演示验证计划”（GOLD）。该卫星于1994年8月发射，由于助推火箭出现了故障，无法到达预定的地球同步轨道，只好在大椭圆轨道上运行，虽然原定的试验计划无法进行，但日本和美国合作对地面系统进行了改造，制定了新的试验计划，利用美国喷气推进实验室（JPL）的光学地面站成功进行了星地激光通信试验。从1994年12月起，上行和下行激光发射试验开始进行。由于要克服大气湍流和各种闪烁引起的上行激光光束严重衰减，经过长时间的努力，ETS-VI与地面站的光通信试验终于在1995年7月成功完成，试验结果证明了星地链路的可行性［1］。

从1995年起，美国的弹道导弹防御组织（BMDO）实施了第二代空间技术研究飞行器（STRV-2）试验计划。该项计划的主要目的是低轨三军服务试验卫星-5（TSX-5）的激光通信终端（LCT）与地面站间的上行和下行激光链路试验，验证卫星光通信技术。TSX-5卫星于2000年6月7日发射，近地点高度403km，远地点高度1686km，轨道倾角69°。由于TSX-5卫星的定轨和姿态控制精度没有达到预定要求，星上激光通信终端无法捕获到地面光通信终端发射的信标光，STRV-2计划进行的星地激光链路试验宣告失败［2］。

日本“星间光通信工程试验卫星”（OICETS）（日语为“闪光”之意）计划，由日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）研制，该卫星于2005年8月23日发射，工作于610km 高的太阳同步轨道。OICETS计划有两个目的：①利用星上装载的激光通信终端（LUCE）在自由空间与欧洲航天局（ESA）研制的“先进数据中继与技术任务卫星”（ARTEMIS）之间，进行星间激光通信演示验证；②利用LUCE进行星地激光通信演示验证，该演示验证包括与日本国家信息通信技术研究所（NICT）的光学地面站（OGS）通信试验，试验名称为“闪光卫星与日本光学地面站的光通信演示试验”（KODEN）。OICETS 卫星与德国航空航天研究院（DLR）的光学地面站的通信试验，试验名称为“闪光卫星与德国光学地面站的光通信演示 试 验”（KIODO）。2006年3月、5月 和9月，KODEN 试验共进行了18次，卫星捕获和跟踪成功时间占整个试验时间的61%，其余时间都处在多云等天气条件较差的情况。2006年6月，KIODO 试验进行了8 次，晴天条件下，捕获和跟踪成功率为100%。2008年OICETS卫星与NICT 所属的光学地面站进行了通信试验；2009年，OICETS 卫星与4个地面站分别进行了通信，4 个地面站分别属于DLR、ESA、JPL 和NICT，通过气象卫星或者天气预报，在一个地面站有云层覆盖时，选择与另外的光学地面站通信，有效地增加了星地激光通信的效率［3］。

3 典型卫星激光通信终端设计方案比较

本节着重介绍以下3个国外典型的星地试验计划：STRV-2、ETS-VI（GOLD）和OICETS（KODEN／KIODO），并对其与链路设计相关的技术指标进行比较。

1）STRV-2［4］试验计划

STRV-2试验计划最终失败，未能验证激光通信链路设计的合理性，但从其公开资料中对终端指标的描述，也能了解激光通信链路设计的思想。

（1）终端基本信息：终端名为激光通信终端（LCT），质量为19．7kg，最大功耗为94．1 W。

（2）光学跟踪瞄准子系统：采用波长为852nm 的信标光进行捕获，激光器输出功率为65mW，共2个激光器，束散角分别为500μrad和1500μrad。利用干涉滤波器CCD跟踪瞄准，瞄准分辨率为6μrad，跟踪精度为±40μrad。

（3）通信子系统：望远镜口径为7．5cm，放大倍数为15；发射部分为双通道极化复用，4个激光器，传输数据率双通道达到1．24Gbit／s，波长为810nm，单个激光器输出功率为62．5mW，束散角为80μrad，二进制相移键控（BPSK）调制；接收部分为2台望远镜，主镜孔径为13．7cm，用2 个雪崩光电二极管（APD）作为通信接收探测器，APD视场角为800μrad，主镜还用于1个原子滤波器CCD跟踪瞄准通道，捕获视场为20mrad，次镜孔径为3．8cm。

TSX-5卫星成功发射后，进入410km／1750km的椭圆轨道，之后TSX-5卫星搭载的激光通信终端与位于高山上的地面站进行了17次激光通信连接，但都没能成功。该光学终端不能捕获和跟踪地面站发射的信标光有2个原因：①卫星的姿态控制精度设计值为±0．5°，实际在轨测试为6°；②该终端的PAT 方案捕获跟踪为开环设计，对卫星姿态没有补偿能力［4］。图1 为TSX-5卫星搭载的激光通信终端LCT 功能框图。

图1 激光通信终端LCT 功能框图Fig．1 LCT block diagram

2）ETS-VI（GOLD）［5］

（1）终端基本信息：终端名为激光通信设备（LCE），质量为22．4kg，最大功耗为94 W。

（2）光学跟瞄子系统：LCE 的粗跟踪和粗瞄准方式有3种，即自由转动模式、开环模式和闭环模式；精跟踪和精瞄准方式有2种，即开环模式和闭环模式；提前瞄准控制方式有2种，即开环控制和闭环控制；接收探测器（APD）工作方式：自动增益控制和固定增益；捕获和粗跟踪转动装置为两轴万向节／螺旋扫描，捕获探测范围±1．5°，捕获探测视场为8mrad，捕获探测精度为32μrad。精跟踪转动方式为螺旋扫描，精跟踪探测视场为0．4mrad。具有提前瞄准模块：转动方式为压电陶瓷，提前瞄准范围大于±100μrad，分辨率优于2μrad。

（3）通信子系统：望远镜口径为7．5cm，放大倍数为15；发射子系统：波长为830nm，束散角为30／60μrad，平均输出功率为13．8mW，传输数据率为1．024Mbit／s，调制方式为强度调制和曼彻斯特（Manchester）码。接收子系统：接收探测器波长为510nm，探测信号强度为-62dBm时，误码率为10-6，视场为0．2mrad。

图2为LCE的功能框图，其光路为收发共用光路，箭头方向为光信号的走向。

图2 激光通信终端LCE功能框图Fig．2 LCE Block Diagram

3）OICETS（KODEN；KIODO）［6］

（1）终端基本信息：终端名为以激光为工具的通信设备（LUCE），质量为140kg，最大功耗为280 W。

（2）光学跟瞄子系统：包含粗瞄准跟踪和精瞄准跟踪系统，粗瞄准跟踪和精瞄准跟踪相互独立，控制频率带宽分别为：粗瞄准2Hz，精瞄准200Hz。捕获和粗跟踪转动装置为两轴万向节，粗瞄准转动范围方位角0°到370°，俯仰角0°到120°，直流驱动方式，开环瞄准精度优于±0．2°，粗跟踪视场为0．4°，精跟踪视场为400μrad，捕获时间优于360ms，捕获精度优于±3．6μrad（3σ），跟踪精度优于±2．6μrad（3σ），传感器CCD，精瞄准角度范围为±500μrad，驱动方式为压电陶瓷，精跟踪精度为±1μrad。提前瞄准子系统：提前瞄准范围大于±75μrad。

（3）通信子系统：望远镜口径为26cm，放大倍数为20；发射子系统：波长为847nm，平均输出功率为53mW，束散角为上行204μrad／下行5．5μrad，上行传输数据率为2．048 Mbit／s，下行传输数据率为49．372 4Mbit／s，调制方式为2PPM。接收子系统：接收探测器波长范围为797～808nm，探测信号强度为-67．7dBm 时，误码率为10-6，视场为7mrad［7］。

图3为LUCE的功能框图，粗线表示的是光信号的传输路径，细线表示的是电信号的传输路径。

图3 激光通信终端LUCE功能框图［8］Fig．3 LUCE Block Diagram

根据任务的不同，激光通信终端的设计各有差异，表1为上述3个激光通信终端的参数比较。从表1中可以清晰地看出不同终端设计的共性与差异性。

表1 3种典型激光通信终端参数比较Table 1 Characteristics of three typical laser communications terminals

通过以上激光通信终端参数指标的比较，可以看出以下特点：①除了STRV-2 望远镜为收发分离外，其余终端设计都采用的是收发共用，后端光路进行分离。收发共用除可以使终端设计更加紧凑外，还能保证收发光路的同轴度好。②合理的光学跟踪瞄准子系统应包含粗跟踪和精跟踪系统以及提前瞄准角的补偿，PAT 方案捕获跟踪须要采用闭环设计，保证粗跟踪和精跟踪的精度。单纯依靠整星姿态轨道控制的指向精度和稳定度，满足不了链路建立和维持的要求。③上述激光通信终端多采用800nm 波段的激光，其具有较好的大气投射能力，并且器件获得性好，光源体积小，重量轻，器件功耗低，可直接调制，适合空间环境对器件各方面的要求。由于高速传输的需求，1550nm 波段的激光光源也被视为热门研究对象，因为，该波段可采用激光器加掺铒光纤放大器（EDFA）的光放大技术，来满足高调制码率条件下的大功率发射要求，该波段光源发射光束质量好，准直也较容易［9］。④3 个激光通信终端的通信数据率并不高，但在星间激光通信试验中，已成功进行了数据率高达5．625 Gbit／s激光通信试验，由于大气湍流对激光通信的影响，使星地激光通信的设计难度大大增加，但是借用星间激光通信的成功经验，通过系统设计优化和器件优化，星地激光通信的传输速率会大大提高，能满足实际使用需求，而不是还停留在演示阶段。

4 链路余量设计指标分析

在卫星激光通信系统的设计过程中，须要考虑各种实际因素的影响，这时通常采用链路余量公式来评价链路系统的性能。利用微波链路的分析方法，可以建立以下对应的激光链路余量公式［10］。

式中：M为激光星间链路余量，一般情况下至少有3dB；PLD为激光器的输出功率（dBW）；GT为发射天线增益；τt为发射天线系统光学透射率；LFSL为自由空间传输损耗；GR为接收天线增益；τr为接收光学天线系统光学透射率；ηdd为直接探测的探测器接收效率；Sreq为达到系统误码率（BER）和信噪比（SNR）要求的最小光功率（dBW）；τatm为大气损耗；LFM为大气闪烁带来的损失。以上各个参量均以分贝表示。

根据式（1），对第3节中典型的星地激光通信试验的链路余量情况进行了复核，由于STRV-2激光通信试验未取得成功，对其链路余量复核工作不能开展，因此本节对ETS-VI和OICETS试验进行了复核，具体见表2、表3。

表2 ETS-VI（GOLD）链路余量计算［11］Table 2 Link budget analysis for ETS-VI（GOLD）

从表2和表3可以看出，OICETS链路余量比GOLD 试验的链路余量大，在轨试验的结果也与链路余量复核的结果相一致。GOLD 试验完成了激光通信链路的建立，但是未见文献报道其具体试验的有效通信时间和误码率等信息。OICETS星地试验，不仅多次完成了激光通信链路的建立与保持，在天气条件较好的情况下，成功率为100%，在轨测试误码率在10-5～10-7之间。

表3 OICETS链路余量计算［12］Table 3 Link budget analysis for OICETS

5 结论

研究星地激光通信链路设计工作的意义，在于对通信系统总体的了解和掌握，并对参数的调整和一些硬件设备的选取提供理论数据。由国外典型星地激光通信试验得出如下结论。

（1）PAT 子系统是保证星地激光通信试验成功的基础。典型PAT 系统分为粗跟踪和精跟踪两部分，并且多数都有提前瞄准功能，以减少星地相对运动带来的指向误差。PAT 系统不仅完成了链路的建立和维持工作，其瞄准误差参数还直接影响星地激光通信系统的性能及总体设计中对光源的选择，以及接收机灵敏度指标、光学天线发射口径等参数的确定。

（2）天气条件是星地激光通信试验重要的影响因素，晴天条件下，大气带来的能量损失最小，链路余量增大，星地激光通信试验成功率高。链路余量设计时，对大气带来的能量损失要有足够的预计，大气对激光通信的影响非常复杂，就链路余量设计而言，归为能量损失是简单有效的方法。在激光地面站选址时，天气条件也是一个非常重要的因素。

（3）高性能的激光通信终端应该满足高码率、小型号、轻量化、低功耗等要求。尽管望远镜口径增大可以增大天线的增益，为链路余量的设计带来好处；但是卫星对激光通信终端的质量、体积和功耗都有着严格的要求。未来星载激光通信终端的发展方向，就是通过各种光学技术使激光通信终端具备码率更高，体积更小，质量更轻，功耗更低的特性，并且满足链路余量设计要求。

（References）

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Li Xiaofeng．The principle and technology of the satellite-to-ground laser communication links［M］．Beijing：National Defense Industry Press，2007（in Chinese）

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［12］Toyoshima M，Takayama Y．Ground-to-satellite laser communication experiments［J］．IEEE A＆E System Magazine，2008：10-18