国外卫星激光通信进展概况

2018-10-09韩慧鹏

卫星与网络 2018年8期

随着高分相机、合成孔径雷达和大容量卫星通信等空间技术的发展，各种航天器的信息传输量呈指数级增长，目前卫星主要采用的以微波为主的通信手段已难满足相应需求，促使业界向激光通信方向发展。空间激光通信是一种利用激光束作为载波在空间进行图像、语音、信号等信息传递的通信方式，具有传输速率快、通信容量大、抗干扰能力强、安全保密性高、系统终端体积小/质量轻/功耗低等优势，成为未来卫星通信链路的发展趋势之一，并引发各航天强国的研究热潮。

截至2018年8月，中国已经先后发射了5颗光学通信实验卫星，分别是海洋二号卫星（2011年8月16日发射）、墨子号量子科学实验卫星（2016年8月16日发射）、实践十三号卫星（2017年4月12日发射）和北斗三号全球系统M11和M12卫星（2018年8月25日发射）。美国、欧洲、日本以及俄罗斯等均在卫星激光通信领域开展相关技术研究和在轨试验，逐步突破了卫星激光通信系统所涉及的各项关键技术，不断推动卫星激光通信迈向工程实用化。本文总结梳理了全球已经完成的典型卫星激光通信在轨试验，如表1所示，重点介绍2017年至2018上半年国外卫星激光通信的最新进展。

1.美国加速发展空间激光通信技术

美国是世界上开展空间激光通信最早的国家，主要研究部门是美国国家航空航天局（NASA）和美国空军，而随着商业航天的兴起，美国已有数家初创公司开始开展卫星激光通信业务。

NASA选择喷气推进实验室开展卫星激光通信系统的研制，于2000年完成了激光通信演示系统(OCD)试验。美国空军的战略导弹防御组织选择麻省理工学院林肯实验室开展空间激光通信的研发工作，所研制的激光通信终端已完成作用距离42km、信息率1Gbps、误码率为10-6的全天候跟瞄试验。美国已完成的卫星激光通信试验如表1所示，此外美国曾提出转型卫星通信系统（TSAT）计划，通过高速激光星间链路实现数据互联，传输速率可达20Gbps，并可实现卫星与飞机的激光通信链路，传输速率可达2Gbps。但由于财政经费问题，TSAT计划于2009年被美国国防部取消。

近两年来，商业航天公司促进了卫星激光通信技术的发展，NASA也积极推动卫星激光通信技术的研发与验证，为未来海量空间数据的传输寻求解决方案。综合来看，美国在卫星激光通信技术领域有如下7个方面的进展。

1.1 BridgeSat公司卫星激光通信新进展

2018年3月12日，NASA与美国BridgeSat公司签署卫星激光链路开发协议，该事件是美国商业卫星激光通信系统诞生的里程碑，未来该系统将满足超高速、大宽带、全球性、安全性、可靠性等卫星通信应用需求。BridgeSat公司已于2018年3月开设了位于美国科罗拉多州丹佛市的新网络运行中心，将提供完全自动化的网络控制和数据传输监控，还可执行全天候、多气象条件的光学观测任务。

2018年5月21日，BridgeSat公司与芬兰对地观测运营商ICEYE公司签署协议，BridgeSat公司将向ICEYE公司提供紧凑型卫星激光通信终端和地面运维及网络服务（图1），此类紧凑型激光终端从低地球轨道（LEO）卫星下行链路传输速率可高达10Gbps，而终端质量却不到2kg。BridgeSat公司通过天地综合通信网络为用户提供各种服务，融合激光和射频技术开展协同工作，向各类型用户提供质美价廉的通信和数传服务。

表1 全球典型卫星激光通信在轨试验历程

1.2 低轨宽带星座激光通信链路

近年随着低轨宽带互联网星座计划的兴起，为了满足大容量、大带宽、高速率的星间通信，部分星座计划采用激光通信链路。根据已公开的资料显示，美国的LeoSat星座将采用激光星间链路，建立一个空间激光骨干网；SpaceX公司的Starlink星座预计采用激光星间链路实现空间组网，达到网络优化管理以及服务连续性的目标；加拿大的Telesat星座也计划设置激光星间链路。本文将简要介绍LeoSat星座的情况。

Leosat星座由108颗卫星组成（图2），部署在1400公里的低地球轨道上。每颗卫星设置4条星间链路，其中与同轨道面的卫星建立2条星间链路，通信距离约为2700km；与异轨道面间的卫星建立2条动态星间链路。每颗卫星在四角分布设置4个激光通信终端，分别建立4条星间链路，全部使用卫星激光通信，每条链路通信速率可达10Gps，从而实现高速星间数据传输业务。LeoSat星座的卫星由法国TAS公司研制，将于2019年发射试验卫星进行在轨技术验证，从2021年开始进行星座部署并逐步完成全球组网。

可以说构建基于全激光通信的低轨卫星通信骨干网的难度巨大，是卫星通信技术发展的重大飞跃，将实现高质量、高速率的数据服务愿景。

1.3 NASA成功发射2颗OCSD卫星

2017年11月，NASA的两个创新型1.5U立方体卫星成功发射，这两个立方体卫星属于NASA的“激光通信与传感器演示”（OCSD）项目（图3），此次任务主要验证未来小型卫星的高速率激光数据传输技术，以及小卫星间的近距离操作能力。卫星的星地链路上行速率10kbps，下行速率可达5～200Mbps。OCSD后续还将进行一系列激光通信和交会对接试验，将通信速率提高到2.5 Gbps。OCSD项目曾于2015年发射立方体卫星，但因卫星姿态控制系统问题，未能完成星上激光通信载荷的测试。

OCSD卫星的激光通信系统与其他卫星激光通信系统不同，最显著的差异表现在它没有瞄准、捕获与跟踪子系统，激光终端的光束指向调整需要依靠控制整个卫星的姿态来完成光束实现对准，这使得OCSD卫星的激光系统比以往激光系统都更为紧凑，但使得卫星自身的姿态控制技术成为卫星研制的关键难点之一。

1.4 LCRD项目进入集成与测试阶段

NASA为提升卫星通信能力，已将激光中继卫星纳入到下一代通信导航架构之中，并计划于2019年发起一个新的“激光通信中继演示”（LCRD，图4）项目，以突破深空激光通信技术及全球化组网技术。早在2013年，作为LCRD项目的先期预演，NASA成功验证了从月球进行高速数据传输的激光通信试验（LLCD），创下622 Mbps 的下载速率纪录。

图1 BridgeSat公司全球地面网络规划示意图

图2 Leosat星座组网及卫星在轨设想图

2017年2月，NASA的LCRD卫星成功通过关键设计评审（CDR），并已于2018年开始进入集成与测试阶段，预计将于2019年开始项目的新阶段。LCRD卫星包含2路激光通信系统和1个超宽带微波数传系统。其中，1路激光通信系统供用户使用，另1路激光通信系统作为接收干线与地面基站连接；为克服大气云层对激光通信的干扰，设计了1个超宽带微波数传系统，作为星地激光接收干线的备份，确保星地数据传输能力。相应地，该项目须设置3个地面站点，即地面用户激光站、接收干线激光站和高速微波地面站，其中接收干线激光站与高速微波地面站将建立可靠连接，确保数据高速稳定传输。MIT林肯实验室将承研卫星激光通信系统。

LCRD项目将验证激光与微波通信的数据中继能力，计划于2018年在两个地面终端之间进行中继数据试验，于2019年进行从国际空间站（位于LEO）通过地球同步轨道（GEO）卫星上的LCRD终端完成数据中继回传试验。地面站与GEO卫星上LCRD终端之间将支持用户速率高达1.244Gbps的双工通信，国际空间站到GEO卫星的上行数据速率达32Mbps。

图3 OCSD-2（1.5U）卫星工作示意图

LCRD项目的其他试验还包括：测试可供位于不同地点的多个用户使用的数据多路传输技术；测试数字视频录像的存储/传输技术，将视频类信息加以存储并以较低数据率进行中继传输；测试所有不同天气条件和时间下的激光通信性能。

1.5 启动激光增强型任务与导航服务项目

2017年4月，NASA启动一项被称为“激光增强型任务与导航服务”（LEMNOS）的计划，旨在为执行深空任务的下一代“猎户座”（Orion）宇宙飞船研发激光通信系统，能够向宇航员提供最优的快速通信服务，使其与地面及时取得联系。

NASA认为激光通信将彻底改变低地球轨道外飞船的数据回传手段，将外层空间通信范围进一步拓展，LEMNOS项目支持的数据传输速率将至少达到80Mbps。LEMNOS项目将于2021年猎户座飞船飞跃月球期间进行首次测试，若任务进展顺利，NASA将在后续任务中部署更多的激光通信终端，以支持飞船的空间探索任务。

1.6 DSOC项目激光终端技术成熟度达到6级

图4 LCRD卫星在轨示意图

图5 DSOC项目在轨示意图

LLCD项目的成功为NASA开展深空激光通信研究注入了新动力。2017年末，由NASA支持的、喷气推进实验室主导的深空激光通信（DSOC，图5）项目正在开发关键技术，其激光终端的技术成熟度达到6级，这意味着它已经是一个功能完整的系统原型或具有代表性的模型。DSOC系统项目计划于2023年正式启动，它是NASA太空探索任务的重要组成部分，旨在研究激光通信对于深空任务中，数据速率、系统空间占用和功耗等指标能力改进。按照计划，DSOC项目将在2018-2019年进行地面测试，2023年搭载“普赛克”（Psyche）飞行器向一颗金属小行星进发，开展深空激光通信技术验证。

DSOC将以至少250Mbps的速率从火星回传数据，通信距离达6.3亿公里，质量预计为28kg，功率约76W，正在研制的地面光学天线口径达12m。与LLCD相比，DSOC还需突破更多的关键技术，如千倍以上的传输距离、千瓦级地面发射功率、宇宙飞船终端光子计数探测器阵列、借助惯性稳定的波束指向、轻型航天器扰动隔离技术、高效率的星载激光发射机、下行光束较大提前瞄准角等。此外，NASA将在火星2020探测器上安装小型激光通信终端，其质量小于6kg，功耗低于50W，发射孔径5cm，探测器与火星轨道飞行器之间的通信速率为20Mbps，与地球地面站之间的通信速率为200kbps。

图6 IROC卫星在轨示意图

1.7 开展一体化射频与激光通信研究

NASA格伦研究中心团队正在开展“一体化射频与激光通信”（IROC）概念研究，计划向火星轨道发送一颗激光通信中继卫星（图6），用于接收远距离航天器的数据并将数据中继至地球。IROC系统将包含一个瞄准天体的 3 米射频网格天线和一个 30厘米的光学望远镜，还可为Ka频段和激光通信共享一个由软件定义的集成调制解调器。IROC系统使用射频和激光集成通信系统，既可为使用激光通信系统的新型航天器提供服务，也可为使用射频通信系统的传统航天器提供服务，将有效促进NASA所有空间资产间的互操作性。

2.欧洲重点推进激光通信系统商业化运营

欧空局（ESA）早期实施的“半导体激光星间链路试验”（SILEX，20世纪80年代开始，2001-2006年在轨试验）等项目，首次验证LEO至GEO的星间通信。在发展SILEX计划的同时，瑞士发展了高码率、小型化、轻量化、低能耗的OPTEL工业化激光通信终端系列，德国完成了合成孔径雷达卫星的高码率多用途激光通信终端TSX-LCT，表明欧洲已经实现了高性能激光通信终端，在卫星激光通信领域，欧洲已完全领先于美国，处于国际领先地位并在可预见的将来保持这一地位。

图7 EDRS星座结构图示意图

2008年底，欧空局决定在其“欧洲数据中继系统”（EDRS，图7）中应用激光通信终端，以促进卫星激光通信系统的研发和实施达到成熟阶段，通过2颗地球静止轨道（GEO）数据中继卫星（EDRS-A和EDRS-C）为低轨道（LEO）的航天器与地面控制中心进行实时数据中继，构建“太空数据高速路”，并以商业模式运营。“欧洲数据中继系统”取得了一系列突破性进展，成为世界上首个商业化运营的高速率卫星激光通信系统。

激光数据通道由“太空数据高速路”在慕尼黑的任务操作中心控制，7×24小时运维服务。激光通信终端由Tesat-Spacecom和DLRGerman Space Administration开发。操作人员接收客户的数据传输请求，制定卫星和地面设备的操作程序，并监控通信性能。

搭载“欧洲数据中继系统” 首个激光通信中继载荷EDRS-A的Eutelsat 9B卫星于2016年1月29日成功发射，可提供激光和Ka波段两种双向星间链路，星间激光传输速率可达到1.8 Gbps，星间最远距离达到45000 km，并于2016年7月进入业务运行阶段。EDRS-A载荷实现在轨服务是近年来欧洲航天技术快速发展的一个重要里程碑，第2颗卫星EDRS-C预计于2018年发射。

据ViaSatellite消息，在投入日常运营服务的近两年时间里，EDRS-A卫星已成功完成万次激光传输连接，可靠性达99.8%，传输数据已达500TB，目前“太空数据高速路”每天可传输40TB遥感卫星、无人机和飞机的数据。根据ViaSatellite的数据可以推算，在近两年时间里EDRS-A卫星激光链路的累计使用时间约为77.2小时，即3.2天。

2017年3月7日，EDRS的用户欧盟“哥白尼计划”的“哨兵2B”卫星成功发射，该卫星用于地球观测领域的数据图像采集，回传采用X波段和激光载荷，其中激光载荷传送的数据通过EDRS-A中继系统传至地面。据ViaSatellite报道，除现在已经使用EDRS服务的哥白尼计划外，未来将有其他更多客户终端使用EDRS服务，例如：2019年该系统将服务于国际空间站的哥伦布模块，2020年 Pleiades Neo卫星（Airbus的高分辨率光学遥感卫星，达到30cm分辨率）也将使用这项服务。

欧空局计划在2020年将EDRS扩展成为全球覆盖系统，形成以激光数据中继卫星与载荷为骨干的天基信息网，实现卫星、空中平台观测数据的近实时传输，未来EDRS的主要市场将是无人机编队的通信服务。EDRS不仅将满足欧洲航天活动对空间数据传输速率、传输量和实时性日益增长的需求，更将使欧洲摆脱对非欧洲地面站的依赖，保持空间通信的战略独立性。

3.日本致力于激光通信终端小型化研究

日本已经完成的系列星地激光通信演示验证（GOLD）项目取得了巨大的成功，工程试验卫星（ETS-VI，1995-1996年试验）计划和光学在轨测试通信卫星（OICETS，2003/2006年试验）计划成功进行激光通信测试，实现了世界首次低轨卫星与地面站及移动光学地面站之间的激光通信试验。

为保持卫星激光通信技术方面的优势，日本向激光通信终端小型化、轻量化、低功耗方向发展。特别是通过“空间光通信研究先进技术卫星”计划（SOCRATES）等，完成了SOTA的对地激光通信在轨测试，以构建全球光通信网络，使飞机、卫星收集的高分辨率图像数据可通过卫星激光通信链路下传至地面。2014年，日本的“小型光学通信终端”（SOTA）发射并开展LEO卫星对地激光通信试验，SOTA总质量仅为5.8kg，最远通信距离达1000km，下行通信速率10Mbps。

图8 日本激光数据中继卫星计划研制进度示意图

2015年，日本公布了新版《宇宙基本计划》，将“激光数据中继卫星” 计划（图8）正式列入其中，并于同年正式启动该项目。日本激光数据中继卫星计划于2019年发射，将当前数据中继系统的微波链路替换为激光链路，通过激光实现先进光学卫星等新一代高分辨率对地观测卫星的数据回传，届时将使日本获得更高速的实时观测能力。

目前，日本激光数据中继卫星全面开展正样研制工作。卫星采用三菱电机公司的DS-2000平台，激光波长1064nm，采用DPSK相干调制解调模式，LEO终端重量35kg，光学孔径100mm，GEO终端重量50kg，光学孔径200mm，平均功耗100W，预设通信速率达2.5 Gbps。