星地激光通信可靠性保障技术研究现状

徐晓帆，陆 洲

(中国电子科学研究院，北京 100041)

0 引 言

随着社会的发展和科技的进步，人们对空间资源的利用需求日益增加，许多国家和机构都提出了自己的空间计划，其中比较知名的包括已经建成的铱星、先进极高频(AEHF)等空间组网的卫星通信系统，以及一网(OneWeb)、星链(Starlink)等低轨互联网卫星星座。为了维护国家安全与促进国民经济，我国也提出了构建天地一体化信息网络的计划，并取得了一系列的研究成果[1-2]。

为了满足越来越高的数据和多媒体传输需求，以及应对日渐匮乏的微波频谱资源问题，人们将激光通信技术引入到空间应用中，并开展了一系列星地和星间激光通信试验。然而，在星地通信场景中，激光传输深受大气吸收和散射、大气湍流、以及背景光等因素的影响，制约了链路的可靠性。本文将从原理研究、地面验证及在轨试验等方面入手，梳理星地激光通信可靠性保障技术的研究现状，总结各主要研究国家的技术发展路线。

1 理论研究及地面试验现状

影响星地激光通信的主要因素有大气吸收及散射、大气湍流、背景光、云雾雨等，如图1所示。大气对激光的吸收主要是由于大气分子和特定波长的激光相互作用产生的，大气对激光的散射也与波长相关，可以由比尔-朗伯(Beer-Lambert)定律描述；大气湍流是由于大气温度和压强的变化产生的，会使信号的强度和相位重新分布，也即波前畸变，通常采用伽玛-伽玛(Gamma-Gamma)分布或者更为精确的双参数威布尔(Weibull)分布来描述[3-4]；背景光的影响来自于太阳、其他恒星、及散射光等；云雾雨主要从吸收和散射的角度来影响激光通信。针对上述各类因素，世界各国开展了理论研究，并进行了多类地面演示试验。

图1 影响星地激光链路的主要因素

1.1 孔径平滑

孔径平滑的主要思想是采用大接收孔径将相对较小的湍流所带来的影响平均化，进而减少大气闪烁、降低系统误码率[5]。孔径平滑的方法较早就被提出，研究相对较多，应用也很广泛[6-7]。2005年，美国国家航空航天局(NASA)进行了相关的地面试验研究，采用1550 nm波段，发射孔径2.5 cm，接收孔径可变且最大为8英寸(约20 cm)，发射与接收装置相距1 km[8]。经过NASA的测试，在接收孔径设定为2英寸(约5 cm)、误码率设定为10-3的条件下，当接收孔径增大到8英寸时，误码率降低到了10-12。需要强调，随着接收孔径的增大，背景光也会被接收进来，因此接收孔径大小的设计要综合考虑各类影响。

1.2 多接收孔径

多接收孔径的主要思想是采用阵列化的接收单元，接收多路相互不关联的信号，通过平均不同空间条件下的路径情况降低大气影响，提高链路可用度[9]。为了能够更好地利用空间分集带来的优势，发射端和接收端各自的天线间隔要足够大，使各个路径之间所受大气影响不相关。实验证明多输入多输出(MIMO，Multiple Input Multiple Output)光学系统比单输入单输出(SISO，Single Input Single Output)光学系统对信道衰落的容忍性更高[10]。

1.3 自适应光学

自适应光学的主要思想是采用闭环控制，通过将大气湍流带来的影响的共轭加入到波前中，使大气湍流影响被抵消[11]。典型的自适应光学系统如图2所示，受大气影响而发生波前畸变的信号光入射到接收望远镜系统中，经可变形反射镜反射后，部分光由分束器传至波前传感器，其余光传至接收器。波前传感器的输出信号与信号光波前情况相关，并借由实时控制系统控制可变形反射镜改变信号光波前情况并形成反馈系统，直至消除波前畸变。

图2 典型自适应光学系统示意图

1994年，美国利用阿波罗15号(Apollo 15)进行了自适应光学实验[12]。实验采用1060 nm激光，经过光学孔径1.5 m的望远镜系统发射至位于月球表面的Apollo 15上安装的反射装置，经反射后被地面站的另一个3.5 m孔径的望远镜系统接收。实验发现，当发射的激光光束经过自适应光学的补偿时，接收装置可以接收到光信号，而当激光光束未经自适应光学补偿时，无法收到信号。随着微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Mechanical Systems)技术的迅速发展，基于MEMS的可变形反射镜能够实现较大的控制带宽，将进一步提升自适应光学技术的使用效能[13]。

1.4 调制和编码

在空间激光通信中，通过选取适当的调制方式及编码方式可以有效地提升信噪比、降低误码率。由于易于实现且功率效率较高，早期最常用的空间光通信调制方式为强度调制/直接探测(IM/DD，Intensity Modulation/Direct Detection)体制，尤其是通断键控(OOK，On-Off Keying)，以及脉冲位置调制(PPM，Pulse-Position Modulation)。然而随着技术的进步，人们越来越关注具有更高灵敏度的、基于相干探测体制的二进制相移键控(BPSK，Binary Phase-Shift Keying)和差分相移键控(DPSK，Differential Phase Shift Keying)等调制方式。其中DPSK的抗加性白噪声(AWGN，Additive White Gaussian Noise)性能虽然比BPSK低3 dB，但是其解决了BPSK存在的载波相位不确定性问题，且其功率效率比OOK提升了3 dB，因而更受关注[14]。

通过采用前向差错控制(FEC，Forward Error Control)方法也会带来链路性能的提升，例如RS(Reed-Solomon)码、Turbo码、卷积码、低密度奇偶校验(LDPC，Low Density Parity Check)码等。当引入纠错编码时，信道衰落带来的误码可以被探测出来并纠正。对于弱大气湍流，RS码与PPM相结合可以带来6 dB的编码增益[15]；对于强大气湍流，Turbo码和LDPC码更适用[16]。

1.5 激光/微波混合传输

激光/微波混合传输的主要思想是通过在激光链路连接的两个节点间建立额外的微波链路，在天气恶劣的条件下使用微波链路进行辅助传输来保障节点间通信不间断[17]。2006年，美国宾夕法尼亚州立大学的科学家进行了空载激光/微波混合传输的评估研究[18]。研究发现激光链路受云层影响较大，主要是由于云颗粒带来的衰减及散射，但当微波链路引入后可以大幅提升整体链路的可用度。

通常的激光/微波混合传输方式为激光链路可以通时采用激光传输，无法通时改为微波链路进行数据传输。该种方法不仅不能有效利用整体信道带宽，在激光和微波链路进行切换的过程中也容易带来不必要的传输中断。2009年弗吉尼亚大学的科学家提出了一种符号率自适应联合编码方案，使得微波链路和激光链路同时高效工作[19]。2010年马萨诸塞大学的科学家提出了混合信道码，通过利用非均匀码及速率兼容LDPC码，在提升通信容量的同时达到了电信级的可靠性(99.999%)[20]。

2 在轨研究现状

空间激光通信具有深远的战略价值，因此受到各国政府的青睐。其中，美国、欧洲、日本借助其深厚的光通信技术基础以及丰富的卫星制造和使用经验，相继开展了在轨试验和验证，取得了积极成果。我国的许多科研机构和大学在国家的支持下，也开展了一些研究。然而，空间激光通信由于技术难度高、投入成本大、试验周期长等原因，经过30年的发展依旧处于以在轨验证为主的阶段，缺乏成熟应用。

2.1 美国

美国是世界上最早开展大气激光通信研究的国家之一，自上世纪八十年代便开始空间激光系统的研究[21-22]。

2001年，借助于麻省理工学院林肯实验室的激光通信载荷，“同步轨道轻量技术试验”(GeoLITE，Geosynchronous Lightweight Technology Experiment)项目实现了地球静止轨道(GEO)卫星对地的激光通信试验，采用1550 nm波段和IM/DD体制，数据传输速率大于1 Gbps[23]。

2013年，美国成功进行了“月球激光通信演示验证”(LLCD，Lunar Laser Communication Demonstration)，采用1550 nm波段和PPM实现了月球探测器与地面站之间的双向激光通信，通信距离40万km，16PPM下行链路速率39～622 Mbps，4PPM上行链路速率10～20 Mbps。LLCD项目中，地面站采用4发4收光学系统，由4个直径为15 cm的望远镜构成发射阵列、4个直径为40 cm的望远镜构成接收阵列，采用多接收孔径的方式降低大气影响[24]。

2014年，美国基于“激光通信科学光学载荷”(OPALS，Optical Payload for Lasercomm Science)实现了国际空间站与地面站间的激光通信，仅用3.5 s就将一段时长37 s的高清视频从空间站传送至地面站，平均下行速率50 Mbps，传输距离约400 km。位于国际空间站上的激光终端采用了1550 nm波段，发射功率2.5 W。该试验的另一个重要任务是积累不同大气条件下的太空对地链路情况数据，用以为将来的激光通信试验提供链路修正参考[25]。

2017年，美国开展了“激光通信中继演示”(LCRD，Laser Communications Relay Demonstration)计划，将于2019年发射卫星，作为中继实现地面站之间以及国际空间站与地面站的激光通信，同时帮助NASA研究在不同时间和不同气象条件下的激光链路性能[26]。LCRD计划选择1550 nm波段，基于DPSK和相干探测体制，实现1.25 Gbps/2.88 Gbps的星地通信速率，并通过在地面站增加自适应光学系统以提高星地激光通信克服大气湍流的能力。另外，NASA也计划再建设两个地面站，采用孔径1 m的光学天线，平滑因小型湍流引起的传输性能衰减。

美国国防部曾经计划过“转型卫星通信系统”(TSAT，Transformational Satellite Communications System)项目，目的在于建设高传输速率的军事卫星通信系统以及互联网类型的服务[27]。TSAT计划共发射6颗GEO卫星，其中1颗作为备用星，星间采用高速激光通信技术，支持20～50条激光链路，单条链路数据传输速率为10～100 Gbps，支持包括天基、机载情报、监视与侦查等数据的传输。由于高昂的建设费用、较高的技术风险、以及开发的延迟，该项目于2009年被取消。

2.2 欧洲

欧洲自1985年便开展了“半导体星间激光通信试验”(SILEX，Semi-Conductor Inter Satellite Link Experiment)项目，并于2001年实现了高轨卫星ARTEMIS和低轨卫星SPOT4之间的激光通信，采用800 nm 波段，通信速率50 Mbps[23]。2005年，ARTEMIS卫星利用SILEX激光通信终端与日本OICETS卫星的激光终端LUCE建立通信链路，上行速率2 Mbps，下行速率50 Mbps。

2008年，德国成功利用TerraSAR-X卫星上的“激光通信终端”(LCT，Laser Communication Terminal)与美国NFIRE卫星进行了星间激光通信试验，采用1064 nm波段和BPSK相干探测，通信距离约5000 km，数据传输速率达到双向5.65 Gbps[28]。2010年，借助于NFIRE卫星以及LCT载荷，美国和德国联合进一步进行了低轨道(LEO)卫星对地的激光通信试验，地面站海拔2350 m，地面LCT孔径6.5 cm，星载LCT孔径12.4 cm，通信速率达到双向5.65 Gbps[29]。通过该次试验，联合团队积累了大量的激光通信大气链路数据，并证明在较高海拔地区无需使用自适应光学器件。

鉴于SILEX和LCT的成功，欧洲于2008年开始了“欧洲数据中继卫星系统”(EDRS，European Data Relays System)计划，并于2016年发射了首颗EDRS-A卫星，利用卫星搭载的新一代LCT载荷实现了LEO卫星到GEO卫星的激光通信，通信距离约45000至75000 km，数据传输速率达1.8 Gbps[30-31]。新一代LCT依旧采用1064 nm波段，光学天线孔径增大到13.5 cm。但是考虑到激光通信的可靠性有限，GEO卫星到地面站的通信采用了较成熟的Ka频段微波通信，数据传输速率1.8 Gbps，正常工作时间达99.6%。此外，LEO卫星到GEO卫星之间也建立了Ka链路，通信速率300 Mbps。

2.3 日本

日本早在1986年便在NASA的支持下开展了激光通信试验项目，并于1995年将“激光通信设备”(LCE，Laser Communication Equipment)搭载于ETS-VI卫星上，采用830 nm波段和IM/DD体制，实现了世界首次GEO卫星与地面站间的激光通信，数据传输速率达到双向1 Mbps[32]。

2006年，日本成功研制了 “激光使用通信设备”(LUCE，Laser Utilizing Communications Equipment)，并搭载于OICETS卫星与日本、德国、美国、西班牙等国的地面站进行了LEO卫星对地的激光通信演示。试验采用800 nm波段和IM/DD体制，下行数据传输速率50 Mbps，上行数据传输速率2 Mbps[33]。

基于LCE和LUCE的成果，日本于2015年公布了“激光数据中继卫星”计划，预计于2019年发射“激光数据中继卫星”，基于1064 nm波段和DPSK相干调制解调体制，实现2.5 Gbps的通信速率[34]。目前设计为LEO卫星光学终端重量35 kg、光学孔径10 cm，GEO卫星光学终端重量50 kg、光学孔径20 cm。

2.4 中国

国内空间激光通信技术研究起步相比于美欧日晚，但经过20多年的努力，已经取得了不错的成绩。

2011年8月16日，哈尔滨工业大学研制的激光通信载荷搭载海洋二号卫星(HY-2)成功发射入轨，于2011年底实现了LEO对地的激光链路双向捕获和跟踪，并进行了我国首次星地激光链路通信试验，数据传输速率达到504 Mbps[35]。

2016年8月16日，中国科学院上海光学精密机械研究所牵头研制的高速相干激光通信载荷搭载于量子卫星发射升空，于2016年12月28日至2017年1月15日开展在轨测试，实现了链路距离1000 km以上、低仰角(约20度)条件下的星地激光通信[36]。双向链路中，下行链路采用相干体制，数据传输速率达到了5.12 Gbps，上行链路采用PPM体制，数据传输速率20 Mbps。

2017年4月12日，哈尔滨工业大学研制的GEO卫星激光通信载荷搭载实践十三号(中星16号)卫星发射升空[37]。试验团队开展了我国首次GEO对地的双向激光通信试验，地面站接收天线孔径1 m，数据传输速率0.6 Gbps、1.25 Gbps、2.5 Gbps三档可变，并通过采用波分复用技术利用2路复用达到最大5 Gbps传输速率。该试验还进行了大气对星地激光传输链路影响的相关研究，积累大气影响数据，突破了远距离高速激光通信大气影响补偿技术。

2.5 在轨研究小结

空间激光通信技术尚未成熟，各国积极开展的在轨研究试验，尤其是星地激光通信，仍旧以验证通信体制、提升通信速率、研究大气影响为主，尚未形成空间激光通信网络。表1梳理总结了国内外有代表性的在轨相关试验情况。

表1 空间激光通信在轨验证研究及对地激光通信的可靠性保障考虑

从表1中可以看到，受限于技术成熟度和试验成本，早期的星地激光通信试验大都没有考虑应对大气影响的方法。2010年以后，各项在轨试验逐渐开始强调运用提升激光链路可靠度的方法，包括采用较大的光学孔径、多接收孔径、自适应光学系统等方法。比较典型的几个试验为：

·2010年，德国和美国选择了高海拔(2350 m)的地面站，在没有自适应光学系统等的支持下，利用BPSK相干体制实现了到目前为止已知最高的星地双向通信速率5.65 Gbps；

·2013年，美国LLCD项目利用多接收孔径的方法将大气湍流的影响平均化，实现了月球探测器与地面站之间距离达40万km的激光通信演示；

·2016年，欧洲EDRS项目为保证系统的可靠性，仅在星间利用了激光通信，星地依旧选用Ka频段微波通信，确保正常工作时间达99.6%；

·以及美国计划在2019年实现的LCRD项目，将采用自适应光学系统提高激光链路可靠性，实现GEO对地的激光通信。

此外，世界各主要激光通信研究国家均明确强调对大气数据的积累。例如美国2014年的OPALS项目，利用空间站发射至地面的激光波束，研究不同季节、不同时间、不同天气、不同海拔、不同地理位置等因素带来的对激光链路的影响[25]。这些数据将为今后如何建立可靠的星地激光链路提供极大的支持。

3 结 语

星地激光通信技术经过近30年的发展，其通信速率已经从Mbps量级发展到Gbps量级。近年来，相干通信体制、波分复用技术、以及各类应对大气影响的可靠性保障技术的引入，使得星地激光通信速率具备达到100 Gbps的潜力。目前理论研究和在轨试验的主要的可靠性保障技术，如孔径平滑、多接收孔径、自适应光学、调制和编码、激光/微波混合传输等，均考虑单链路性能的提升，即点对点的通信链路。虽然上述方法在一定程度上缓解了大气等对星地激光链路的影响，但是忽略了网络的作用，并未达到系统的最大效能。

近年来，随着空间激光通信技术的逐步发展，覆盖全球的卫星激光网络方案相继被提出，例如美国二十一世纪初提出的TSAT项目(后因预算过高而取消)，以及Laser Light Communications公司2014年前后提出的“高清晰度激光光学”(HALO，High Articulation Laser Optics)项目，后者计划利用8～12颗中轨道卫星实现覆盖全球的全光通信网络[38]。利用激光组网的思想为提升整体网络可靠性开阔了思路，通过利用网络本身，在极端天气情况下，自适应重新选择路由路径进行激光通信，将会在保证星地间通信可靠性的同时，进一步提升服务质量[39-43]。

由此可见，未来星地激光通信可靠性保障技术将在进一步完善基于单链路的可靠性保障方法的同时，开展基于网络的保障方法研究及在轨试验。各项可靠性保障技术的发展和协同利用，将大幅提升星地激光通信效率，使系统达到最大效能，进而推动天地一体化信息网络的发展。