空间激光通信光端机发展水平与发展趋势

王岭，陈曦，董峰

（1.天津大学　电气与自动化工程学院，天津　300072；2.天津航海仪器研究所，天津　300451）



空间激光通信光端机发展水平与发展趋势

王岭1，2，陈曦2，董峰1

（1.天津大学电气与自动化工程学院，天津300072；2.天津航海仪器研究所，天津300451）

摘要：激光通信技术和传统通信技术相比具有极大的优越性和广阔的应用前景，其中光端机是实现空间激光通信的核心系统。论述了近年来发达国家在光端机研发方面所取得的成果，讨论了光端机研发的发展趋势。在未来多型平台之间进行组网激光通信的背景下，对光端机上一对多通信光学天线的各种设计方案进行了梳理，从几个方面评价了各种设计方案的优缺点，并对网络化通信的光学天线关键技术提出了一些新的思考和分析。

关键词：激光通信；光端机

1　空间激光通信技术发展的历史沿革

随着世界对高速率、海量数据通信需求日益增长，对空间信息网络的高速处理和传输能力要求也越来越高。特别是高精度对地观测迅速发展，对数据传输速率和实时性要求提高，单通道速率达到每秒千兆比特量级，超出了当前微波传输的能力极限［1-4］。目前微波的传输速率仅为百兆级别，G比特带宽已经接近微波通信的极限。和微波通讯相比较，激光频率约为微波频率的万倍以上，在通信中传输信息量大、数据传输速率高，可以作为下一代通信手段满足未来要求［5，6］。激光通信就是以激光束作为载波进行各种数据传输，除了具有容量大的特点外还具有光学增益大，发散角小，抗干扰和抗截获能力强、系统体积小、质量轻、功耗低等压倒性优势，能够对战场态势和自然灾害等重要情况实施“现场直播”式侦查，这无论对国防安全还是对国计民生都有着重要的意义，因此激光通信是一种国家战略通信手段［7］。

自从上世纪60年代激光问世以来，人们开始探索激光通信技术的可能性。到了70年代，世界各国的研究逐渐形成了一些相关技术理论。在80年代，随着电子技术的进步，美欧日等发达国家陆续开始对激光通信理论开展了一些实验原理验证工作。到了90年代美日欧各国开展了各种地面通信验证实验。从上世纪末至今激光通信技术发展速度迅猛，世界主要发达国家在各种平台和链路上进行了大量激光通信技术工程化实验，取得了许多具有里程碑意义成果，标志着激光通信技术走向成熟［8-11］。

表1　典型光端机的技术代划分

2　国内外激光通信光端机的发展现状

实现激光通信的载体叫光端机。光端机是实现空间激光通信技术的核心，它是以光学系统为基础，借助APT、自动控制等辅助技术，实现激光通信的功能。随着各种平台和链路激光通信实验的进展，激光通信的核心系统——光端机的研发也发生了质的飞跃［12-14］。

2.1国外光端机发展情况

目前，美、日、欧是开展激光通信系统研究的先进国家，对空间激光通信链路理论、关键技术进行了深入研究，在不同的平台上、不同的链路里进行了大量、丰富的工程化实验，积累了丰富的成果。而完成这些实验成果的核心系统即光端机大致经历了两代的发展进化过程。

表1列出的是典型的激光通信光端机的型号。以轻小型化、高速率通信、相干探测等技术水平为标志，把光端机分划为第一代和第二代。第一代光端机主要用于各种平台和链路的工程验证试验。德国LCTSX第二代光端机的诞生，标志着激光通信技术实用化的硬件条件接近成熟［15-17］。

第一代光端机最著名的代表系统是法国的SELEX系统和日本的LUCE系统。

2.1.1第一代SILEX光端机

法国的SILEX光端机属于第一代激光通信载荷，它被搭载在多个卫星平台上与多个国家的通信系统在不同链路条件下进行了大量各种具有里程碑意义的激光通信工程实验，如图1所示为SILEX光端机系统结构及其在ARTEMIS高轨卫星的应用。

SILEX光端机的重量约为157公斤，只能单向通信，上行通信速率50Mb/s，信号探测方式为直接探测，信号发射功率仅为百毫瓦级。

2001年，ESA的高轨ARTEMIS卫星和法国的低轨SPOT 4卫星搭载了第一代光端机SILEX系统，成功地进行了人类首次LEO对GEO卫星的单向通信实验，如图2（a）所示，传输距离是40000公里，上行传输速率为50M。而后系统又与西班牙特内里费岛的OGS进行了上百次的链路试验，验证了光端机APT系统性能，但只有上行链路通信成功。2006年12月欧空局ARTEMIS卫星搭载的SILEX终端与法国“神秘”-20飞机的LOLA光端机进行了上百次激光通信试验，如图2（b）。通信距离约36000公里，单向传输速率为50MbPS，捕获时间小于1秒。试验目的是掌握在复杂的天气状况从不同的高度接入系统的性能和可靠性，2007年，通过ARTEMIS中继通信，首次使地面和飞机的音频、视频实现了同步［18-21］。

图1　SILEX光端机系统及应用

图2　SILEX光端机的激光通信实验

2.1.2第一代LUCE光端机

1985年日本为实现与欧空局的ARTEMIS卫星之间的激光连接，研制了与SILEX激光通信终端兼容的第一代LUCE光端机，其系统结构及应用如图3所示。其总体指标和SILEX系统相似，激光发射机采用GaAlAs半导体激光二极管，粗跟踪传感器采用CCD探测器，精跟踪传感器采用四像限探测器QD。主要技术指标为：通信波长平均发射功率为100mW；调制模式为非归零码直接强度调制；通信速率为50Mbit/s，误码率为10-6；望远镜口径为260mm；终端质量为140kg；通信功耗为220W。这台光端机被搭载在激光通信专用低轨卫星OICET上，于2003年9月，LUCE终端在欧空局的光学地面站进行了与Artemis卫星的双向通信试验［22-24］。在2005年9月-2006年2月与欧洲Artemis卫星的SILEX系统实现世界首次星间双向激光通信。通信距离为45000公里，发射传输速率为50Mbps，接收速率2Mbps。2006年3月，LUCE与日本（NICT）光学地面站成功进行了双向光学通信实验。2006年6 月7日，LUCE终端与德国宇航中心移动光学地面站之间实现激光通信实验，在国际上首次实现低轨卫星与移动光学地面站的激光通信，通信实验如图4所示。

此外LUCE光端机还与西班牙Tenerife、日本东京等地面OGS进行了星地激光通信工程试验，日本也凭借LUCE系统一跃成为了激光通信技术强国［25-28］。

图3　LUCE光端机系统及应用

图4　世界首次卫星双向、多链路通信实验

2.1.3第二代LCTSX光端机

SILEX项目的成功是空间激光通信的一个巨大进步，但其光端机重量较大、通信速率较低，还不能作为微波通信的辅助通信手段。作为SILEX系统后续计划的产物，德国Tesat公司又研发出LCTSX光端机，该系统重量不到30公斤，口径仅125mm，双向通信速率可达8Gb/s，采用相干信号探测方式，发射功率为瓦级［29］，系统结构及应用如图5所示。LCTSX没有专门的信标激光器，也没用采用多像素的焦平面阵列进行光束捕获。可调谐Nd∶YAG激光器发出的1064mm激光兼具信号光和信标光作用，在捕获阶段适当提高输出功率以降低捕获难度。通信双方采用大视场的四象限探测器（QD）直接捕获光束，交替进行螺旋扫描不断提高对准精度，最终实现闭环跟踪。这样零信标系统节省了一套光源，同时减少了终端内光学表面、镀膜、光轴调较、光束分合等设备，而且收发光束能够最大程度的共轴传输，光路自校准也相对容易［30］。从轻小型化、通信速率、探测方式来看，LCTSX光端机与第一代光端机已经不可同日而语，这套系统的问世在激光通信技术的发展上具有划时代的意义。

图5　LCTSX光端机系统及应用

2008年3月美国NFIRE卫星与德国TerrSAR—X卫星分别搭载LCTSX光端机在低轨道成功实现双向零差相干探测通信。通信距离为3800至4900公里、传输速率为5.625Gbps［31］，如图6所示。

图6　德国TerraSAR-X和美国NFIRE进行星间相干探测通信

2009年12月TerraSAR-X、NFIRE卫星对美国夏威夷地面站、西班牙Tenerife岛地面站实现相干探测通信。通信距离600～1500km、双向通信速率为5.65Gbps［32］，如图7所示。

图7　德国TerraSAR-X星-地链路的光通信实验

LCTSX光端机系统的试验成功具有非常重大的意义，这是激光通信首次超过微波通信，体现出大带宽、高速率的优势，各种技术突破极大地推进了激光通信技术的实用化进程，并且让世界认可了激光通信技术的意义［33］。

2.1.4日本第二代光端机

从2008年开始，日本也在开发其具有第二代光端机性能的激光通信光端机系统，并在高功率光放大器、相干/零差探测器、精密跟踪指向系统等方面取得了巨大进展，其结构如图8所示。比LUCE光端机在通信速率、重量、和消耗功率方面有了很大的进步。其通信能力为双向速率2.5Gb/s，通信波长为1.064μm，重量小于35公斤，采用二进制相位键控调制/零差探测，其捕获和粗跟踪系统采用同一束光；采用Nd∶YLF crystal waveguides作为光功率放大器，其特点是效率高，体积小，与目前常用的光纤功率放大器相比，其耐宇宙辐射的能力更强（寿命长15年）［34］。

2.2国内光端机发展情况

相比于欧洲、日本和美国，我国在空间光通信领域起步较晚，在20世纪90年代才开始有比较多的研究。但我国在该领域发展迅速，多家单位开展了深入研究，主要机构有哈尔滨工业大学和长春理工大学等高校，中国科学院上海光学精密研究所和中国科学院光电技术研究所（成都）等中国科学院研究单位，以及中国电子科技集团公司第34所和27所等。值得一提的是，国内不同研究机构的研究方向各有不同，呈现出比较鲜明的特点［35］。

星载对地通信光端机的研发方面，哈工大于2011年进行的星地通信实验取得成功，通信距离为2000公里，速率为504Mbps。

空地通信光端机的研发方面，长春理工大学空间技术研究所于2011年实验成功，通信速率为1.5Gbps，通信距离为17.5公里。

飞机对飞机通信光端机的研发方面，长春理工大学空间技术研究于2013年实验成功，通信速率为2.5Gbps，通信距离为144公里。亦有其他单位的相关研究也取得了更多成就。

我国目前在空间光通信领域发展势头良好，下一步应该结合各个单位的研究特点，加强交流与合作，并争取在基础器件研制和最新理论研究上取得突破。

3　未来激光通信光端机的发展趋势

经过近40年的发展，星间激光通信从理论探索到实验研究，从地面验证到星载实验，通信速率从50Mb/s发展到5.6Gb/s，已经步入接近成熟的第二代，距离实际应用越来越近。借助卫星激光链路组建空间骨干网具备了初步的硬件条件，空间组网是卫星激光通信下一步发展趋势。激光通信只有在多平台实现组网才能发挥其更大价值，即通过激光链路把不同轨道的卫星和空间站、飞机、浮空器、地面的基站（OGS）、舰船、汽车等组成空天陆海为一体的全方位战略通信网络，实现立体的全方位的通信连接。目前美国、欧洲、日本、俄罗斯等国家均提出了雄心勃勃的多平台间激光通信网络发展计划［36］。

3.1美国

美国提出了多种激光通信卫星组网方案，如Teledesic 288星计划，Celestri63星计划以及过渡系统——TSAT计划。TSAT计划将于2016年实施，能够向全球部署部队提供具有高带宽的卫星通信能力，其类似于因特网通信系统，包括星地通信、星星通信、星船通信等，预计达到的通信速率为10Gbps—40Gbps。主要优点是通信速率快、带宽较高；覆盖范围大；各种通信手段互补。主要缺点是多种复合方式难度较大；结构实施复杂，其组网示意如图9所示。

图9　美国TSAT高速信息传输空间激光通信组网示意图

3.2欧洲

随着欧洲“全球环境监测与安全”项目的实施，估计每天将有6TB的数据需要从空中向地面传输，以目前的空间激光通信能力，很难保证海量数据传输实时性和质量；同时目前欧洲是通过境外地面通信站来获得地面观测卫星的数据，这严重威胁了欧洲的独立自主的战略方针。基于此，欧洲准备建立下一代数据卫星系统（EDRS），将用三颗Alpha SAT中继卫星于45000km轨道高度搭载一个LCTSX光端机的升级版（望远镜口径增大、通信光功率增大）和一个Ka波段微波通信终端（通信速率600Mbps），在三颗GEO卫星之间以及GEO卫星到地面之间的骨干网络均采用激光互联进而覆盖全球，为气象、电台、监测等特殊用户提供1.8Gbps高速率远程数据服务，原理如图10所示［37］。

图10　欧洲数据中继卫星系统（EDRS）骨干网激光通信示意图

3.3日本

日本提出激光与微波通信相结合的双层低轨道全球通信组网方案，具体论证了在地球700公里和2000公里的低空中部署两套卫星系统的可行性；卫星之间采用激光互联技术进行信息传递，与地面关口站的通信链路由上层卫星负责，采用激光链路；下层卫星负责与小型地面站和移动用户（包括个人移动通信）的通信，采用微波链路。主要优点是双低轨组合优势互补、覆盖范围广、激光和微波手段复合。主要缺点是双轨道实施难度较大、结构实施复杂。可以应用于星间、星地、地面站与移动用户等多种终端的组网通信，其组网通信示意如图11所示。

图11　欧洲数据中继卫星系统（EDRS）骨干网激光通信示意图

但是与微波通信技术较易实现大范围、宽覆盖通信能力相比，目前国际上的光端机通信系统仅能实现一点对一点的通信，尚未能够实现多平台间组网通信，这严重制约了激光通信技术的快速推广和在各领域的应用。因此未来的光端机设计必须满足多平台一点对多点通信功能，同时还要满足动中通、双工通等要求。

针对如何实现组网激光通信的这一难题，国内外科研人员提出了多种光端机设计方案，针对激光通信组网技术已经进行了各种探索，但是尚未有成熟的技术解决组网通信问题。比如美国朗讯公司在其专利US6445496B1中提出了一种扩大视场型一对多组网通信的设计概念，原理如图12所示。系统采用拥有较大的焦平面的卡氏系统为发射端和接收端提供自动对准，并在接收端焦平面处放置N×N的光纤阵列实现单个光学望远镜的一点对多点空间激光通信。

图12　光纤阵列型一对多组网结构

美国的Tearbeam公司在其专利US6912360B1提出另一种一对多组网通信设计方案，原理如图13所示。光端机D是一个卡氏系统，其光输入端与信号光源耦合指向远处的通信光端机A、B或C，通过调节光输入端的位置进行移动跟踪通信实现一点对多点激光通信。

图13　自由空间一点对多点激光通信示意图

这两种方案的优点是结构较为简单，避免了使用复杂的APT系统，但是缺点是组网通信范围小，经计算当视场角超过0.5°时其能量利用率将低于2.1%，且光纤阵列排列密集将会带来较为严重的信号串扰。

通过激光通信网络进行高质量、海量信息传输是必然趋势，也是激光通信技术广泛应用的必然目标。实现激光通信组网的核心条件是每个平台对其他多个平台同时、动态、大范围、双工通信，但是目前国际上尚未见成熟有效方案实现此目标，因此未来应该加强对此方向的针对性研究。

4　总结与展望

本文对激光通信技术的核心系统----光端机的发展进程进行了综述，分析了该领域的研究现状，对激光通信及其载体光端机的网络化一体化趋势进行了分析与评述。总的来说，不论从理论研究还是应用研究实证分析方面，国内对激光通信组网技术和适用于组网通信的光端机的研究都还处于方案论证阶段，这也就意味着许多问题还有非常大的空间有待我们进一步的深入探索。

针对这种现状，我们的研究应主要集中在以下几个方面：

（1）及时跟踪激光通信网络化、一体化的最新研究理论、趋势和动向，特别是对具体研究内容予以较为深入的关注。

（2）进一步展开对适用于空间组网通信的光端机方案进行深入的论证和研发，包括自动化设计、误差分析、装调方案等，探索新的设计原理和方案。

（3）加强激光通信技术研究成果和民用领域需求的结合将对激光通信事业的快速发展具有重要的实际意义。

参考文献

［1］李勇军，赵尚弘，吴继礼，等.全球覆盖稳定拓扑LEO/ MEO双层卫星光网络设计［J］.光电子·激光，2009，30 （3）：324-328.

［2］姜会林，佟首峰.空间激光通信技术与系统［M］.北京：国防工业出版社，2011：9-22.

［3］李勇军，赵尚弘，李哓亮.基于分层协议的卫星光网络组网研究［J］.光通信技术，2006，30（4）：43-44.

［4］赵尚弘.卫星光网络技术［M］.北京：科学出版社，2010.

［5］储修祥.中继镜系统激光传输与变换的理论研究［D］.长沙：国防科学技术大学，2009：68-75.

［6］刘宏展，孙建锋，刘立人.空间激光通信技术发展趋势分析［J］.光通信技术，2010，34（8）：39-42.

［7］佟首峰，姜会林，张立中.高速率空间激光通信系统及其应用［J］.红外与激光工程，2010，39（4）：649-654.

［8］戴国梁，赵尚弘，李勇军等.三层卫星光网络链路性能分析［J］.通信技术，2007，40（12）：375-378.

［9］刘立人.卫星激光通信II-地面检测和验证技术［J］.中国激光，2007，34（2）：1-9.

［10］李勇军，赵尚弘，张冬梅，等.空间编队卫星平台激光通信链路组网技术［J］.无线电通信，2006，10（4）：47-49.

［11］Weber W J，Cesarone R J，Abraham D S，et al.. Transforming the deep space network into the interplanetary network［J］.Acta Astronautica，2006，60 （80）：411-421.

［12］Keith E Wilson，Joseph Kovalik，Abhijit Biswas. Preliminary results of the OCTL to OICETS optical link experiment［C］.SPIE，2010，7587：758703.

［13］Mori Toyoshima，Yoshihisa Takayama，Hiroo Kunimori etal..Dataanalysisresultsfromthe KODEN experiments［C］.SPIE，2007，6709：67091C.

［14］Isaac KiM，Brian RiLEY，NicHOLas M WOng，et al. Lessons learned from the STRV2satellite-toground lasercom experiment［C］.SPIE，2001，4272：1-15.

［15］Jon Hamkins，Samuel Dolinar，Dariush Divsalar，et al. capacity and capacity sensitivity of soft output optical channels［C］.SPIE，2001，3932：170-180.

［16］吴继礼，赵尚弘，胥杰，等.相干光脉冲位置调制信道容量及传信率最大化研究［J］.光学学报，2008，8（4）：643-647.

［17］Thomas W，Malcolm，Wright W，et al. OCTL to OICETS optical link experiment electro - optical systems［C］.SPIE，2010，7587：75870Y.

［18］Kovalik J，Biswas A，Wilson K. Data Products for the OCTL to OICETS optical link experiment［C］. SPIE，2010，7587：75870C.

［19］袁宏武，梅海平，黄印博，等.大气气溶胶粒子的时延效应及其对激光程差的影响分析［J］.光学学报，2010，30（7）：1945-1949.

［20］Zoran Sodnik，Josep Perdigues，Armengol，et al. Adaptive optics and ESA’s optical ground station ［C］.SPIE，2009，7464：746406.

［21］Troy M，Roberts J，Guiwits S，et al. Performance of the optical communication adaptive optics testbed［R］.IPN Progress Report，2005.

［22］陈娅冰，赵尚弘，朱蕊蘋，等.自由空间中卫星激光通信［J］.系统工程与电子技术，2003，25（9）：1173-1175.

［23］刘涛，庄茂录，赵尚弘.自由空间光通信中的振动抑制研究［J］.光通信技术，2004，28（1）：46-48.

［24］赵尚弘，刘涛.卫星光通信光束对准误差分析［J］.半导体光电，2005，26（1）：44-46.

［25］刘涛，赵尚弘，方绍强，等.振动和大气湍流对星地光通信链路性能的影响［J］.空军工程大学学报，2005，6 （2）：55-58.

［26］梁平，赵尚弘，李勇军.基于波长路由的卫星光网络研究［J］.光通信技术，2006，30（9）：44-46.

［27］李勇军，赵尚弘，李哓亮.基于分层协议的卫星光网络组网研究［J］.光通信技术，2006，30（4）：43-44.

［28］戴国梁，赵尚弘，李勇军，等.三层卫星光网络链路性能分析［J］.通信技术，2007，40（12）：375-378.

［29］李勇军，赵尚弘，吴继礼.零相位因子LEO/MEO双层卫星光网络设计［J］.中国科学F辑，2010，3（7）：1261-1276.

［30］陈兴林，郑燕红，王岩.光斑噪声对星间光通信的影响及抑制算法［J］.中国激光，2010，37（3）：743-747.

［31］Sodnik Z.Adaptive optical and ESA’s optical groundstation［R］.Bellingham：SPIE，2009.

［32］Smutny B.5.6Gbps optical inter-satellite communication link［R］.Bellingham：SPIE，2009.

［33］Zoran S，Bernhar F，Hanspeter L.Free-space lasercommunication activities in europe：SILEX and beyond［R］.New York：IEEE，2006.

［34］黄展，李陆.弥宪梅，等.空间通信协议SCPS及其应用现状问题与展望［J］.电讯技术，2007，47（6）：7-11.

［35］顾明，张军.SCPS-TP协议用于LEO卫星网的性能分析与改进［J］.遥控遥测，2007，28（1）：30-33.

［36］杨奕飞，丛波，李强，等.CCSDS标准在新一代航天测控系统中的应用研究［J］.电讯技术，2007，47（5）：166-168.

［37］宋世杰，万鹏，崔亭，等.SCPS-SP密钥管理及与IPSEC互操作途径［C］.中国宇航学会飞行器测控专业委员会2007年航天测控技术研讨会论文集，2007：52-56.

Development Level and Trend for Space Laser Communication Optical Transceiver

WANG Ling1，2，CHEN Xi2，DONG Feng1
（1.School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University，Tianjin 300072；2.Tianjin Navigational Instruments Institute，Tianjin 300456）

Abstract：Compared with traditional communication technology，laser communication has great advantages and broad application prospects. Optical transceiver is the core of space laser communication system. Optical transceiver achievements in recent years and developments for it have been discussed in this paper. Under the background of more platforms among networks for laser communication，various kinds of optical antennas for optical transceiver have been discussed，including several aspects of advantages and disadvantages. Some new thoughts and analysis on network communication technology of optical antenna have been puts forward.

Key words：laser communication；optical transceiver

中图分类号：TN929.11

文献标识码：A

文章编号：1672-9870（2016）02-0039-07

收稿日期：2015-09-21

作者简介：王岭（1978-），男，博士，高级工程师，E-mail：wangling_tju@tju.edu.cn