空间激光通信标准建设研究

陈诚 宋雪舟 范丹丹 孙洁

（1 北京空间科技信息研究所 2 中国人民解放军32039部队）

随着我国空间技术的快速发展和产业规模的快速增长，标准作为技术法规将在其中发挥越来越重要的作用。为探索研究我国空间激光通信标准建设思路，对空间激光通信标准建设进行需求分析，提出对我国空间激光通信标准的规划设计，能为我国空间激光通信技术发展与标准建设提供借鉴与参考。

1 引言

随着空间应用的不断拓展，航天任务对信息传输带宽的需求越来越高。无论是近地还是深空，传统的微波通信都已基本达到技术极限。此外，由于航天任务逐年增多，微波频谱资源也日益紧张。而空间激光通信具有频带宽、容量大、终端体积小、质量轻、功耗低等优点，是应对各类航天任务高速率、大容量通信需求的最佳途径，因而成为近年来航天领域广受关注的热点。现阶段，我国正在开展空间激光通信领域的预研工作，部分技术已通过在轨试验得到验证，具备一定的技术基础。同时，空间激光通信在导航、宽带通信、数据中继等领域的工程需求也相对明确。目前，我国还没有开展该领域的标准化工作，与国外相比存在较大差距。本文将在分析该领域标准需求的基础上，结合我国系统建设的实际需求，提出我国如何开展该领域标准研究工作的构想。

2 标准需求分析

大气观测与应用

空间激光通信本质是以光作为媒介的通信手段，适用于星地通信和星间通信。对于星间通信而言，光只在真空环境中传输，因此具有很好的传输特性。对于星地通信而言，光需要穿过大气层，期间要受到空气、云雾等因素的影响，会在传输过程中产生较大的损耗。由于星地通信受天气影响较大，因此需要在全球范围内建立地面站网络，通过合理布局保证始终有地面站处于“可见”状态，能持续进行星地间的数据交互。

大气参数观测与分析是空间激光通信领域重要的基础性研究工作，贯穿了空间激光通信系统研制和应用，是系统建设过程中进行站址选择和通信链路预算，以及在轨应用过程中进行网络管理和实时信道切换等工作的前提条件。需要通过标准确定大气传输模型，统一大气特征参数的测量方法和信道传输条件的预测方法，明确天气条件的判据，以指导和规范各项工作的开展。

通信协议

通信协议即通信实体之间完成信息交换所必须遵循的规则和约定，是实现通信的基础。通信协议标准是空间激光通信的顶层标准，是后续确定工程技术方案、开展终端产品研制的依据，使用空间激光通信技术开展航天任务，首先需要确定统一的通信协议。

空间通信采用了开放系统互联参考模型（OSI）提出的分层思想，分为物理层、数据链路层、网络层、传输层及应用层。其中，网络层、传输层、应用层主要针对数据的交互和操作，对于各种通信方式具有通用性。空间激光通信作为一种全新的通信方式，其特殊性主要体现在物理层和数据链路层，涉及激光波长、捕获跟踪、极化、调制、同步、信道编码等方面的技术要求。

空间通信协议模型

目前，空间激光通信针对不同应用场景设计了高光子效率体制（HPE）、低复杂度体制（LC）以及高数据速率体制（HDR）三种技术体制。其中，高光子效率体制主要用于深空探测领域，即具有超长通信距离、功率严重受限的应用场景。低复杂度体制以低轨卫星直接对地数据传输作为主要应用场景，同时也适用于星间通信。高数据速率体制主要用于基于地球同步轨道（GEO）卫星的星间链路和星地链路，是目前应用场景最广泛、最具市场前景的技术体制。由于前期技术路线选择的原因，欧洲航天局（ESA）和美国国家航空航天局（NASA）分别提出了基于1064nm波长的相干二进制相移键控（BPSK）调制体制，以及基于1550nm波长的非相干差分相移键控（DPSK）调制体制等两种互不兼容的提案。我国也将主要精力聚焦在高数据速率体制上，并通过海洋二号、实践十三号、北斗三号等卫星对两种技术方案进行了在轨验证。目前，已基本确定技术方案及相关技术要求，因此需要通过标准确定空间激光通信的通信协议，建立统一的技术体制，以指导后续工程研制工作的开展，这也是我国目前亟待解决的问题。

工程建设

空间激光通信与传统的微波通信在系统实现层面存在较大差异。在引入空间激光通信后，现有的工程建设方案将不能完全适用，未来将在确定的技术体制下，从系统总体层面针对这一全新的通信技术手段进行各大系统之间的接口协调，以及整个系统的设计和验证工作。为有效指导和规范未来工程建设工作的开展，一方面需要针对卫星与卫星之间、卫星与地面站之间、地面站与地面站之间的接口开展系统接口标准研究，另一方面需要针对星地链路预算、星间链路搭建、卫星组网、地面站站址选择和组网等内容开展系统设计标准研究，同时还需要针对地面站网联试、激光通信终端地面对接试验、卫星在轨测试、卫星组网验证等内容开展系统测试标准研究。

产品

实现空间激光通信的实体是激光通信终端，是一种极其复杂的产品，根据工作环境和装载平台的不同，可分为星载激光通信终端和地面激光通信终端。其核心功能包括：高功率光源、高码率调制解调、光束准直整形、光信号探测接收、捕获跟踪等。

激光通信终端由多台单机设备组成，由于设计理念不同，不同厂商研制的激光通信终端在模块划分上可能存在较大差异。为了避免出现产品规格多样、重复研制等问题，需要运用装备“三化”（通用化、系列化、组合化）的理念和方法进行产品型谱规划。同时，还需要针对型谱简表中梳理出的产品种类和规格开展进一步的产品标准研究，以规范产品研制。

产品标准针对各类激光通信终端及其组成的单机设备，包括星上产品和地面产品，主要用于指导工程总体和用户进行产品采购和验收。因此，产品标准的规划需要反映各级产品的“三化”发展规划，并体现星上产品和地面产品在性能指标、对外接口、环境适应性等方面的差异。开展产品标准研究需要系统梳理未来多种型号对每一类激光终端的数量需求、性能指标要求，针对激光通信终端建立系列基线，形成配置方案。同时，还需要针对单机设备进行产品特征参数选取、产品规格优化等方面的研究，建立产品结构树，开展对应的型谱规划，针对每一型单机设备制定具体的产品规范类标准。

在轨应用

卫星在轨交付后，如何更好地使用卫星也是需要重点关注的问题。卫星在轨运行过程中，一方面受卫星轨道周期性、姿轨控误差等因素的影响，另一方面受设备装配精度、热形变等因素的影响，星载激光通信终端的指向会发生一定程度的变化。空间激光通信对于指向精度要求极高，上述误差将严重影响星载激光通信终端之间的捕获与跟踪，造成系统性能的下降，需要定期对星载激光通信终端的指向进行校准，确保系统工作的连续性和稳定性。指向精度的标定和校准（以下简称“标校”）作为卫星在轨使用过程中的一项重要工作，需要规划标准指导具体工作的开展。

另外，链路建立是中继卫星系统工作过程中的一个重要环节。相比于微波通信，激光通信的波束更窄、对指向精度要求更高，链路建立的过程更复杂，建链时间也更长。空间激光通信涉及星地链路和星间链路两种链路，两种链路的应用场景和约束条件差异较大。其中，星间链路需要考虑卫星之间的相对运动，进行长期动态跟踪；星地链路需要考虑星地的实时信道条件，进行星地链路的动态切换。这对卫星的任务规划和操纵控制提出了较高的要求，需要规划标准指导具体工作的开展。

3 标准规划设计思考

通过对空间激光通信标准需求的分析，同时结合该领域国外标准研究情况，提出了我国空间激光通信标准体系的基本框架，包括大气观测与应用标准、通信协议标准、工程建设标准、产品标准、在轨应用标准五个模块。

大气观测与应用标准

大气观测与应用标准属于通用技术标准。大气参数观测与分析是空间激光通信领域重要的基础性研究工作，只有建立起大气通用传输模型标准，统一大气特征参数的测量方法、信道传输标准，才能保证空间激光通信高效运行。

空间激光通信标准体系框架

1) 通用传输模型标准：广泛开展国际合作，充分借鉴国际通用的传输模型，如国际空间数据系统咨询委员会（CCSDS）的空间数据传输模型，使不同研制单位的传输模型互联互通互操作。

譬如，新华社曾经报道，中国电力科学研究院原党组书记、副院长邓永辉，利用此前担任国网青海省电力公司总经理、党委副书记及国家电网公司生产技术部（运维检修部）主任的职务之便，先后收受3家公司价值456万余元的财物，被法院以受贿罪判处有期徒刑10年。

2) 大气特征参数的测量方法标准：对影响激光信号在星地之间传输的大气特征参数及其影响程度进行经验总结，固化已有经验，形成可复制、可推广的测量方法标准。

3) 大气信道传输标准：对大气特征参数的测量数据如何开展信道条件预测、信道条件预测结果如何开展实时信道切换进行经验总结，固化已有经验，形成可复制、可推广的信道传输标准。

通信协议标准

通信协议标准属于顶层标准。空间激光通信领域的通信协议具有特殊性，需重点规划物理层和数据链路层的通信协议标准。

1) 物理层通信协议标准：综合考虑不同应用场景在通信距离、通信速率、通信链路等方面的差异，对物理层所涉及通信波长、通道特性、捕获跟踪、调制解调等方面的技术要求，数据链路层所涉及的各类信道编码及其参数设置的要求等进行规定，规划物理层通信协议标准。

2)数据链路层通信协议标准：综合考虑不同应用场景在通信距离、通信速率、通信链路等方面的差异，对物理层所涉及通信波长、通道特性、捕获跟踪、调制解调等方面的技术要求，数据链路层所涉及的各类信道编码及其参数设置的要求等进行规定，规划数据链路层通信协议标准。

工程建设标准

工程建设标准属于具体实施标准，标准规划基于4点要求。

2) 地面站建设标准：对如何开展空间激光通信地面站的设计工作进行规定，包括外界约束条件、站址选择要求和流程、地面站升级改造接口等内容。建设标准达到地面站一站多用，减低生产成本，避免重复建设。

3) 链路试验方法标准：对星载激光通信终端和地面站的入网验证试验方法进行规定，包括新建地面站与在轨星载激光通信终端之间的对接试验、星载激光通信终端发射前与在轨星载激光通信终端之间的对接试验、星载激光通信终端发射前与地面站之间的对接试验等三类试验。

4) 在轨应用标准：对星载激光通信终端的在轨测试方法进行规定，包括星间链路测试和星地链路测试两类测试。

产品标准

产品标准属于具体实施标准，标准规划基于星载终端产品和地面终端产品。

1) 星载终端产品标准：综合考虑不同的任务要求，统一规划终端产品的种类，建立星载终端产品的型谱化产品，满足多种应用场景。分别对应用场景星载激光通信终端的技术要求及其对应的检验方法作出规定，技术要求包括终端产品本身工作波长、捕获概率、捕获时间、接收灵敏度、调制方式、信息速率、误码率等，也包括对外接口、环境适应性、电磁兼容性、可靠性、安全性等与在轨工作环境密切相关的技术要求。

2) 地面终端产品标准：综合考虑不同的任务要求，统一规划终端产品的种类，建立地面终端产品的型谱化产品，满足多种应用场景。与星载终端相对应，分别对应用场景地面激光通信终端的技术要求及其对应的检验方法作出规定。

在轨应用标准

在轨应用标准属于具体实施标准。标准规划基于激光通信的“能收到、很好用”的原则。

1) 星间链路通信处理方法标准：对卫星之间的激光通信链路建立所涉及的组织机构、操作实施等内容进行规定，包括低轨卫星之间、高轨卫星之间、高轨卫星与低轨卫星之间三种场景。

2) 星地链路通信处理方法标准：对卫星与地面站之间的激光通信链路建立所涉及的组织机构、操作实施等内容进行规定，包括低轨卫星和高轨卫星两种场景。

3) 激光通信终端在轨处理方法标准：对星载激光通信终端和地面激光通信终端在轨标校的时机、条件、标校系统、标校实施流程，以及标校所涉及的具体操作、数据处理等内容进行规定，包括地面标校和星上自标校两种实现方式。

4 结束语

标准体系的规划和建设是一项复杂的系统工程，需要考虑型号研制的实际情况、工程应用的需求以及技术发展的趋势；同时标准体系的规划和建设还是一个逐步完善的过程，需要根据新技术、新产品、新需求的出现对标准体系进行修订和优化。开展空间激光通信标准研究并制定一套完整的标准，一方面可以通过标准建立行业准入门槛，从而规范行业的发展；另一方面还能通过标准推动空间激光通信终端的产品“三化”，从而缩短产品的研制周期，使得企业可以把更多的经费和精力放在技术的创新上。此外，空间激光通信作为连接星地、星间的重要技术手段，技术体制和接口的标准化也同样有利于规范空间激光通信终端自身的研制。