“激光通信光学有效载荷”计划—美国星地激光通信演示验证

朱贵伟（北京空间科技信息研究所）

“激光通信光学有效载荷”计划
—美国星地激光通信演示验证

朱贵伟（北京空间科技信息研究所）

2014年6月5日，美国航空航天局（NASA）利用新型激光通信设备成功地从“国际空间站”（ISS）向地球传送了一段高清视频，此举将有助于极大提升未来深空任务的通信传输速率。回顾21世纪以来空间激光通信领域整体发展情况，欧洲和日本频繁开展多项演示和试验计划，俄罗斯也在2012年首次实现了“国际空间站”到地面的星地激光通信试验，而美国在演示试验方面稍显沉寂。自2013年底开始，美国开展多次星地激光通信试验，最长通信距离近3.8×105km，展现出其在激光通信领域的强大实力。

1　试验概况

“激光通信光学有效载荷”（OPALS）计划是喷气推进实验室（JPL）在“辉腾”（Pheaton）计划下开展的一个项目，以“国际空间站”为试验平台开展星地激光通信试验，主要目的是快速培训刚入职的专业人员，使其在高级管理人员和工程师的指导下，获得研制小型、正样载荷的实践经验。

“激光通信光学有效载荷”计划的试验方案、硬件设备和软件均由喷气推进实验室设计和研制，从项目启动到在轨演示试验历时近5年时间。2009年10月通过任务方案评审，2010年2月通过系统需求评审，2011年8月完成设计评审，2013年7月空间段有效载荷交付，2014年4月搭载太空探索技术（SpaceX）公司“龙”（Dragon）飞船发射升空。2014年5月7日，“激光通信光学有效载荷”计划空间段载荷通过机械臂成功安装在快速后勤舱-1（ELC-1）上，随后进行了相关测试，并开始为期90天的激光通信试验，在6月5日成功开展首次演示验证。

这次试验用时总计148s，美国航空航天局在试验中将一段名为“你好，世界！”的视频从“国际空间站”传送至地球，该视频大小为175Mbit，用时仅3.5s，数据传输速率达到50Mbit/s，如果采用传统微波下行链路方式，需要10多分钟时间。由于“国际空间站”以约2.81×104km/h的相对速度绕地球运行，而激光波束的宽度又非常窄，因此通信过程中精确的瞄准、跟踪和锁定就非常关键。这相当于一个人在约9m外用激光笔瞄准一根头发的末梢，且边走边保持这一动作，其难度可想而知。

美国“激光通信光学有效载荷”试验的体系框图

2　体系架构

“激光通信光学有效载荷”试验的开展，需要空间段和地面段的配合，除安装在“国际空间站”上的有效载荷飞行系统（FS）外，还包括专用的地面站（GS）和任务操作系统（MOS）。此外，太空探索技术公司提供发射服务，通过货运飞船将“激光通信光学有效载荷”运送至“国际空间站”，然后通过机械臂进行安装。在载荷安装完成后，地面任务管理系统通过马歇尔航天中心、“跟踪与数据中继卫星”（TDRS）和“国际空间站”完成空间段载荷的测控。在整个试验中，星地激光通信链路是关键，还需要地面光学站的配合。

3　系统构成

从“激光通信光学有效载荷”试验本身来看，包括飞行系统、地面系统和任务操作系统三大部分。

飞行系统

飞行系统是指安装在“国际空间站”的“激光通信光学有效载荷”的硬件部分，共包括3部分：①筒状的密封容器，用于安装激光器和电子期间等设备；②两轴万向节，用于支撑由相机和激光瞄准仪组成的光学头；③“快速货盘转接器”（ExPA），即飞行释放附带机构（FRAM）的上半部分，用于提供“国际空间站”与“龙”飞船之间的机械和电接口。

密封容器直径约56cm，由铝锻造而成，用来保护内部电子设备不受外部严酷真空环境影响，维持一个大气压下的常温。内部电子设备用于飞行系统的控制，并且通过“国际空间站”的通信系统实现与地面任务操作系统间的通信。此外，密封容器内还搭载了加强型的军事级激光器、定制的电源分配和调节板、两个用于控制两轴万向节的电动驱动器，以及各种遥测数据采集仪器。所有部件都安装在钢丝绳隔振器上，以适应发射振动环境。所有电气和光学导管都通过真空级馈通穿过墙板，连接到下方的飞行释放附带机构、万向节和光学头的各种连接器上。

“激光通信光学有效载荷”光学链路设计参数

“激光通信光学有效载荷”飞行系统构成示意图（无连接线缆示意图）

桌山光学望远镜外形图

万向节与光学头也安装在飞行释放附带机构上，万向节负责光学收发机精确指向地面系统。两个微步频电机驱动万向节转动，通过硬停机方式实现110°×40°的指向范围。为节省成本，万向节机构放弃了电机编码器方案，转而使用航位推测法，通过已发送的电机步骤指令数量来计算万向节的指向。因此，在每次使用前，都必须对万向节进行校准，定义轴向参考点，以确保执行的精确度。光学头质量约1.36kg，安装在仰角轴上，携带一部商业相机，对地面上传的976nm信标进行捕获与跟踪，利用定制瞄准仪将功率为2W的1550nm激光发送回地面站。

地面系统

在“激光通信光学有效载荷”体系中，地面系统是指提供上行链路信标、接收飞行系统光学下行链路所需的所有硬件和软件，是加利福尼亚州桌山（Table Mountain）地面基础设施内光学通信望远镜实验室（OCTL）的组成部分。喷气推进实验室在光学通信望远镜实验室原有设施的基础上，开发了大量硬件和软件。例如，在1m口径的主望远镜后面增加了一系列光学镜片，可对下传的1550nm激光进行调节，使其聚焦在探测器上，同时还可以提供宽度1.7mrad的976nm信标光束，使得“国际空间站”上的飞行系统可以锁定并跟踪。

探测器位于光学镜片之后，负责将光子转换为电子，经处理后恢复出时钟和下行链路信号。由此产生的比特流再经过软件译码器，重构视频文件，还原为发送前的数据格式。此外，地面系统还包括一个以太网接口，可连接到任务操作系统，确保数据传输。光学通信望远镜实验室采用了三层激光安全体系，当上空有低空飞行物、商业航空飞机、光学敏感卫星等飞经时，该系统就会中断地面激光信标传输，使地面发射的激光波束不会干扰到当地的航空交通。

光学通信望远镜实验室地面光学站经历了美国多次星地激光通信试验，包括1992年的“伽利略”光学链路试验（GOPEX）、1995-1996年的星地激光通信演示（GOLD）、2009年与日本“光学轨道间通信工程试验卫星”（OICETS）的星地通信试验，以及2013年的月球激光通信演示（LLCD）。

任务操作系统

任务操作系统包括支持有效载荷与地面站成功运行所需的全部人员、程序、设施、硬件、软件和网络等。对“激光通信光学有效载荷”来说，任务操作系统的主要任务是向飞行发送指令，处理遥测数据，将地面系统在10min内接收到的数据进行重构并展示出来。

在人员方面，包括飞行操作团队和地面操作团队。飞行操作团队负责飞行系统活动的规划与执行，地面操作团队负责地面系统相关活动的规划和执行。任务操作系统给的硬件包括4台PC工作站，并配备了先进的软件，用于指令生成、遥测接收、遥测显示、遥测查询、星历管理、序列生成、相机机架查看、工程日志解析，以及配置管理等。最后，操作程序文件包括活动程序、飞行规则和操作接口等，以确保对飞行系统和地面系统进行正确的远程操作。

4　试验方案

“激光通信光学有效载荷”演示试验的顺利开展高度依赖飞行系统和光学通信望远镜实验室地面系统间的双向可视线路。满足这一条件的时间段即为开展演示验证的时间。为保证地面接收机重构信号所需的功率，要求指向精度达到300μrad（1σ）的量级。在演示验证期间，由于“国际空间站”位置和姿态的预报难以达到这个量级的精确度，因此需要采用主动的、闭环指向系统。

“激光通信光学有效载荷”项目采用地面系统向飞行系统发射激光信标、飞行系统反馈控制跟踪的方式，实现精确的指向。这种指向体系是近地激光通信采用的典型方案，有助于地面站的捕获和跟踪。

最初，光学通信望远镜实验室望远镜向飞行系统发射一束激光信标，在演示验证期间持续跟踪“国际空间站”。需注意的是，该望远镜并不进行主动跟踪，在整个演示过程中仅依靠轨道预报数据来实现对“国际空间站”的跟踪。当“国际空间站”出现在地面望远镜25°仰角范围内时，飞行系统开始利用一系列指向预报搜寻激光波束。由于飞行相机的视场大约是7°×9°，即使轨道预报存在误差，地面信标也能进入相机的视场内。一旦飞行系统探测器探测到激光信标，飞行系统就会计算信标的中心位置，并驱动两轴万向节，使信标移动至探测器的中心，将偏离中心位置的可能性降至最低。

随着飞行系统持续跟踪地面信标，视频数据也调制到下行链路激光信号上。在整个演示验证过程中，调制序列持续处理视频数据，从而增强信号鲁棒性，对抗临时性的衰减或云层遮挡。当演示验证结束时，飞行系统执行一系列指令，激光器关闭、万向节收拢。随后，地面系统在接收数据的基础上开始重构视频。

“激光通信光学有效载荷”演示验证的概念图

5　总结

目前，国外在空间激光通信领域的发展已经非常先进，美国和德国实现了低地球轨道间5.6Gbit/s的数据传输速率；欧洲业务型卫星间激光通信计划即将部署，目标速率是2.8Gbit/s；美国还在2013年底实现了3.8×105km距离上622Mbit/s的下行链路速率。反观“激光通信光学有效载荷”试验，在传输距离和传输速率上都没有大幅提升，在传输体制上仍然采用较为落后的开关键控调制方式。这种反差是与此次试验本身的目的直接相关的。

“激光通信光学有效载荷”是一个低成本项目，在资金、搭载平台、兼容性等多方面受到了限制，其目的不是要提升传输速率，而是要加深对激光通信这一极富前景的技术领域的理解和认识，重点解决3个方面的问题：①大气湍流特征化，包括通过记录地面终端接收功率获得下行链路衰减的统计特性，记录飞行系统接收的信标功率获得上行链路闪烁特性；②开展链路可用性研究，包括链路受地理、大气和环境变化的影响，以及白天与黑夜对通信链路的效应；③评估地面系统开环跟踪的指向特性，以及飞行系统捕获、跟踪和稳定的性能。

不论此次试验的传输速率如何，都展现出激光通信在空间通信领域极大的应用潜力。美国航空航天局称，目前深空探测任务典型的数据传输速率在200～400kbit/s之间，而此次“激光通信光学有效载荷”试验已经将数据传输速率提高至50Mbit/s，未来激光通信应用于深空探测任务，有望将火星科学数据的传输速率提高到1Gbit/s。

目前，国外对空间激光通信热情高涨。美国激光（Laser Light）公司宣布了建设全光通信星座计划，地面测试系统已接近完工；美国航空航天局将利用商业通信卫星搭载载荷开展激光通信中继演示计划（LCRD）；欧洲泰雷兹-阿莱尼亚航天公司开始研制星上光处理设备，等等。相信随着相关试验和计划的推进，业务型空间激光通信系统推出的步伐将会越来越快。

Optical Payload for Lasercomm Science(OPALS) Demonstration Experiment Carried out