卫星激光通信现状与发展趋势分析

袁钰斌

摘 要：本文对近十年的卫星激光通信进行了一个梳理研究，并着重介绍了卫星激光通信的发展现状以及发展方向，随着社会的发展，人们对通信的需求与日俱增，希望本文的研究能够对未来卫星激光通信技术的发展有所帮助。

关键词：卫星激光通信；现状；发展趋势；分析

引言

在激光通信技术诞生之前的很长一段时间，人们主要是通过微波通信来进行远距离的通信，它可以跨越时空限制，但是缺点也很大：微波频率作为一种稀缺资源，生产价格比较昂贵，随着人们生活水平的提高，对通信的需求也大大增加这种技术由于成本高就很难满足民众日益增长的需求了。因此，这就需要研究新的通信技术来代替微波通信，以满足社会的各种通信需求，于是卫星激光通信技术应运而生，逐渐成为高新技术领域通信传输的新兴技术。该技术的可传输容量非常大，并且能够完美融入其他通信技术，减少中间的解码过程，它为实现高速全球无缝连接提供了新的手段。

1 卫星激光通信的种类

根据激光传输环境的不同，可以将卫星激光通信分为两大类：一种是真空环境下的激光通信，它也叫做星间激光通信，这种通信技术主要应用范围很窄，主要是在一些高端的特殊的设备中，因为在常态环境下，很难达到真空的要求，因此使用的范围较小，局限性较大，例如在卫星与卫星或者与飞船、航天飞机等之间的通信属于真空通信，因为太空中没有空气，达到这一要求相对简单；第二种是在大气环境下进行的激光通信，这种通信技术应用比较广泛，例如在卫星与地面、海上用户及空中飞行器的连接等，它也叫做星地激光通信。卫星激光通信技术的研发开始于20世紀70年代，在当时情况下，人们已经意识到微波通信的局限性，于是开始探索新的通信方式，到了20世纪90年代才开始进行实验，研究的时间非常长，因此，该技术仍然处在发展阶段，现阶段的发展状况仍然有前进的空间，而且未来的发展前景也是非常广阔的①。

2 卫星激光通信技术的发展现状

卫星激光通信技术的发展时间非常短暂，所以，该技术的实践应用还很不成熟也很难运用到实践中去，还存在许多问题亟待解决。而美国在该技术领域做了很多有益的探索。不可否认的是，美国在卫星激光通信技术领域始终走在世界前列，他们在这一领域不但研究时间长、投入大，而且取得的成绩也是最显著的。早在1994年，美国研发中心就开始对深空通信进行了大量的试验研究并且仔细论证，希望能找到攻克深空通信的核心技术，它们首先综合分析了激光同X波段/Ka波段通信的效费比，最终的结果显示激光技术在进行大数据量的传输作用方面存在明显的优势，并且这种优势非常明显。

在之后的研究中，美国研发中心开始在激光调制/检测的方法方面进行了细致的研究，研发中心最后明确了发展的方向，那就是以脉冲位置调制及其相关改进调制的方式当做重点的发展方向。美国研发中心也进行了深空数据的星载中继和地面站直接接收方案比较，结果表显示，要想实现不间断地深空激光链路的数据中继，单个星载中继站与多个地面站投资成本是差不多的。但是多地面站联网工作的优势较为突出，例如它可以通过分散部署降低天气对激光通信的影响，进而能够使其达到与星载中继站的方式相同的效果，同时，这种技术在天气情况非常好的前提下，能够在同一时间对多个深空探测器进行精确的跟踪，提高工作的效率。因此，美国在该技术上的研发重点是用于深空通信的多光学地面站。研发中心在2009年时，又进行了实地实验，设计了3路上行信号光当做通信的载体，这些激光的最大发射功率超过20mW，功率非常强，在其他国家很难达到这一功率，但是，这项实验并没有取得非常好的效果，因为卫星上的平均接收功率还是非常低，只有不到-70dBm，很难达到通信的要求，而且，信号的强度只能达到精跟踪传感器的灵敏度。因此，上行链路只能维持基本的光束跟踪，并不能保证码元同步，常常会出现信号太弱导致时钟同步失锁的情况发生，造成通信中断②。

3 卫星激光通信技术的发展趋势

根据最新的研究结果可以看出，目前卫星激光通信技术的发展仍存在很多技术瓶颈亟待解决，发展前景不容乐观。其中一个很重要的原因就是激光功率强度在未到达卫星是就已经衰减大半，衰减的同时会损失大量的能量，那么到达卫星的激光就很难满足保存通信数据的需求，更别谈提供通信的功能了。美国的激光发射设备公认为世界上最先进的设备之一，具有一米以上的超大孔径天线，具备完善的光机电一体配套设施，并配备非常精密的测控系统，配套设备非常完善。但是，即使配备这些先进的设备，也难以保证卫星稳定接收到来自地面的信号。因为激光在从地面到达卫星的过程中会遇到很多介质阻碍，这些介质会强力阻碍激光到达卫星的速度，这是因为激光在穿越空气介质时，由于摩擦作用会损失掉大量的能量，能量损耗过大，激光的强度就会大幅削弱，相反，激光在从卫星达到地面的过程中，损失的能量较小，因为，在太空中的介质几乎为零，损失的能量可以忽略不计，直到接近地面时才会有大气衰减和相位畸变。所以，解决激光通信难题的关键是减少地面到卫星激光能量的衰减，提高传输效率，保证激光强度。卫星激光通信技术与十年前相比，已经有了巨大的进步，发展得较为成熟。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。

4 结语

目前，卫星激光通信技术的发展已较为成熟，相信只要能够攻克地面到卫星激光能量衰减的技术瓶颈，该技术的应用一定会早日铺开并大范围推广，需要注意的是该技术的发展趋势是建立空间组网，使得激光在更加有效的环境下进行传输。

参考文献

[1] 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，2011（2）：10-21.

[2] 杨宇冠.多脉冲位置调制卫星光通信中时钟抖动对比特错误概率影响[J].光学学报，2013（9）：20-24.