深空探测光通信技术途经分析与展望

白帆 李炯卉 徐宝碧 韩宇

(北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

开展深空探测活动是衡量一个国家综合国力和科学技术发展水平的重要标志，是带动空间技术、空间科学和空间应用发展的有效途径。作为深空探测器与地球之间保持联系的唯一纽带，测控通信系统具有不可或缺的地位。

目前，以美国为首的航天强国以高速数据传输需求为牵引，实现了从S/X频段的第一代测控通信体制向X/Ka频段的第二代测控通信体制的转变，同时，正逐步向以光通信、太赫兹等高频段技术为核心的第三代测控通信体制迈进[1]。

空间光通信技术凭借其高带宽以及无频谱约束等特点成为缓解深空探测器资源紧张、实现超远距离大容量数据传输的有效手段。近20年，美国将激光通信技术作为航天领域重点发展方向，开展了包括高精度捕获、瞄准、跟踪(APT)、高功率激光发射器、高灵敏度光电探测器、地基小口径光学天线阵列等诸多关键技术的攻关工作[1]。2013年，NASA成功完成地月激光通信演示(LLCD)工作，验证了地月双向激光通信、测距的可行性[2]。同时，欧洲、日本以及中国等国家和地区在卫星激光通信领域也已完成多项在轨试验任务，并逐步进入规模化建设和实用阶段[3-5]。

未来，随着深空探测任务的不断深入与探测技术的不断提高，利用激光通信技术提高深空数据回传能力逐渐提上了日程。本文对国内外深空测控通信技术及空间激光通信技术的发展状况进行了介绍。在对我国今后深空光通信发展需求分析的基础上，对关键技术及其实现途径进行了分析。结合我国后续深空发展规划，提出适合我国国情的深空光通信发展设想。

1 深空测控通信技术发展现状

从技术发展角度看，国外深空测控通信领域重点对信号调制与编码、大口径高增益天线、高效率功率放大器、基于软件无线电技术的数字应答机与深空光通信等方面开展了富有成效的工作。图1为深空测控通信关键技术发展路线图[6]。

注：MRO为火星勘测轨道器；STRS为空间通信射频系统；UST为统一空间应答机；LRO为月球勘测轨道器；SSPA为固态放大器；DS-1为深空一号；TWTA为行波管放大器；Calileo为伽利略号；Voyager为旅行者号；Casini为卡西尼号；OQPSK为偏移正交相移键控；MPSK为绝对相位调制；GMSK为高斯滤波最小频移键控；BPSK为二进制相移键控；QPSK为四相相移键控；PCM为脉冲编码调制；PSK为相移键控；PM为相位调制；Turbo为并行级联卷积码；RS为里德-所罗门码；LDPC为低密度奇偶校验码。

对于空间激光通信技术，美国NASA在LLCD任务成功的基础上，于2021年12月，随空间测试计划卫星(STPSat-6)发射的激光通信中继演示(LCRD)系统成为世界第一个具备双通信体制的卫星光通信中继系统，该系统后续将与地面光学站以及“国际空间站”(ISS)所搭载的集成LCRD近地轨道用户调制解调器和放大终端(ILLUMA-T)开展星地/星间双向高速通信试验。同时，LCRD系统还被作为美国下一代跟踪和数据中继卫星系统计划和未来深空光中继通信技术的测试平台，将验证包括光信号编码、激光测距、链路层与网络层协议在内的诸多关键技术[7]。

另外，美国增强型激光任务通信导航与操作业务(LEMNOS)项目还计划在2023年发射搭载于载人探测器猎户座(EM-2)的光通信终端(O2O)，开展载人探测器月地激光通信试验[8]；2025年，依托激光通信近地卫星系统(LOCNESS)中继节点实施下一代卫星激光通信网络，实现以地球为中心，连接近地、高轨、月球和日地L2点的超大星际光通信网络[7]。

与国外各航天大国相比，我国深空测控通信技术伴随着各项任务的顺利实施得到了逐步发展：嫦娥系列探测任务实现了S频段及X频段统一载波测控体制的在轨应用；天问一号火星探测器实现了数字化深空应答机和大口径天线等关键技术的突破；同时，以高灵敏度光子探测器、高光子效率调制与编码、高功率激光发射器等为核心的远距离空间激光通信技术也相继实现突破。表1为我国与美国空间激光通信技术发展情况比较。

表1 国内外空间激光通信系统性能比较

此外，在空间光通信标准化工作方面，以空间数据系统咨询委员会(CCSDS)、国际电信联盟(ITU)等为代表的国际标准化组织对卫星光通信领域的标准化研究最为深入。其中，CCSDS SLS-OPT工作组针对大气环境、光信号物理层和链路子层编码方面制订并发布了3份推荐性标准[9-11]。目前，国内相关国家标准也在制订当中。

2 深空光通信需求分析

随着探月工程三期和首次火星探测任务的圆满成功，我国后续还将逐步开展探月工程四期、小行星探测、火星采样返回、木星及行星际穿越探测、载人探月等任务(见表2)。

表2 深空光通信需求分析

2021年6月，中俄联合发布了《国际月球科研站路线图(V1.0)》和《国际月球科研站合作伙伴指南(V1.0)》[12]，提出了月球科研站“勘、建、用”3个工程阶段的任务路线规划。根据规划内容，后续月球无人探测任务均为多器组合体，同时在轨的月面探测器初步方案可达11个。若考虑后续载人探月任务，同时在轨工作的通信节点(探测器和舱外宇航员)数量将会更多。因此，为满足多个月球探测器数据的高速对地转发以及大规模用户接入，对中继星通信转发链路吉比特量级码速率的数据传输需求愈发强烈。

此外，小行星防御、火星采样返回、载人深空探测等任务将要开展的对目标天体详细勘察或表面巡视工作，高空间分辨率、高光谱分辨率和高时间分辨率的探测仪器将被广泛使用。探测仪器所感知、获取的大容量数据对地高速回传能力，也将直接影响我国高精度科学探测的进一步发展。

3 深空光通信技术途径分析

深空光通信实现的主要技术途径包括深空捕跟瞄技术及策略、高光子效率信号编码与调制技术、地面弱光子信号接收技术；同时，对于后续星际高速通信网络建设，容延时网络(DTN)、波长与路由选择技术、宇航级光学放大器等也是重要的发展领域。

3.1 深空高效高稳定APT技术

对于深空光通信链路建立，传统光学地面站提供的上行可合作信标光信号衰减严重，难以保证足够高的跟踪速率。以地球或其附近的自然天体图像作为参考信标的方案不仅可以提供足够高的跟踪速率，还可以保持探测器光通信终端相对于上行链路的独立性，因此是一种较为理想的方案。图2为深空光通信瞄准、捕获与跟踪工作原理图[13]。

图2 深空光束瞄准、捕获、跟踪原理示意图

然而，采用自然天体信标作为深空光通信链路建立与稳定跟踪方案的主要挑战包括：缺少地面站的误差反馈信息这一天地“开环”工作机制下，链路建立和运行过程中信标图像位置的精确计算；探测器平台叠加宽谱高频振动与低频扰动影响；高灵敏度、高带宽的光电探测器工程化实现。

目前，解决上述技术难点的有效途径包括：①以大规模集成电路以及现场可编程门阵列(FPGA)硬件技术为基础，提供快速、精准的信标图像中心位置计算处理功能；②以高精度、高分辨率星敏感器技术为基础提供绝对参考信息，配合相对位置信息和地面导航系统所提供的航天器与目标的位置信息来辅助APT全过程；③采用不依赖于分光的磁流体动力惯导自稳跟踪抑制平台中高频振动，降低对高带宽、高灵敏度的光电探测器使用需求，大幅度提升探测灵敏度及链路可通性。

3.2 高光子效率(HPE)信号调制与编码技术

光学链路将信号功率传送到接收机的能力通常受传输介质、偏振模式不匹配、接收机瞄准损失及收/发光学系统效率等因素影响。提高深空光信号高效传输的核心问题是对信道衰减的有效补偿，其主要工作集中在光信号物理层与链路层相关领域的方案设计。

未来，随着高速数字信号处理器(DSP)和FPGA的发展，很容易搭建基于DSP处理器和FPGA调制解调系统，从而用软件编程来实现高性能的调制发射和接收。2019年，CCSDS SLS发布的链路子层同步与编码推荐标准中提出了基于串行级联脉冲位置调制(SCPPM)技术针对远距、弱光子链路编码方案[10]，其发射端工作机制如图3所示。

图3 深空光通信信道编码机制

3.3 地面高效信号接收技术

对于超远距离光信号传输与接收，信号光束不仅受到自由空间传播损耗，还会受到大气湍流的影响，主要表现在光束漂移、光束扩展、光强闪烁等方面，导致通信系统误码率增加，通信链路质量下降。目前，地面光学站抑制大气影响的方法主要包括小口径光学阵列天线(空间分集)与自适应光学技术。

对于光学阵列天线信号接收方案，用Log-normal函数表征大气弱湍流模型，n个接收单元的光信号随机强度可表示为

(1)

式中：Ii为第i个光学天线单元的瞬时接收光强度；Ii0为第i个光学天线单元的平均接收光强度；[.]T为矩阵的转置；Cx为幅度对数的协方差矩阵，表示为

(2)

(3)

式中：dij为第i个光学天线单元与第j个光学望远镜单元的中心距离；D为单个光学天线接收单元的口径；BI,ij(.)为考虑中心距离与接收单元口径因素影响下，第i个光学天线单元的接收光强度对数与第j个光学天线单元的接收光强度对数的协方差函数。基于上述理论模型，考虑等效面积因素，光学阵列天线在弱大气湍流影响下的光信号接收能力数值仿真结果如图4所示。

图4 空间分集接收性能曲线示意图

3.4 深空光通信中继与组网技术

不同于地面传统网络，未来由深空探测器、空间站、近地卫星与天基中继通信节点组成的星际通信网络是一种高时延、高异构性、通断频繁的断续连接网络，基于TCP/IP协议栈的地面互联网体系并不适用。DTN是一种具备高时延容忍网络结构、异构端互联互通、自主路由协议与网络节点搭载大容量存储设备的网络体系。在应对高时延问题方面，网络体系结构在开放系统互连(OSI)模型下5层之上增加了一种被称为捆绑协议(BP)的覆盖网络协议，实现高时延情况下端到端传输的监督重传、处理间歇连接、绑定覆盖网络端点标识符、创建网络地址等[14]。

在星际通信网络建设方案中，骨干链路采用激光作为物理层设计的首选。当前，卫星光网络设计方案大多基于单波长星间链路和星上电子交换技术来实现，采用网络间互联协议/异步传输模式/同步数字体系(IP/ATM/SDH)作为网络协议架构，星上数据处理过程过于复杂。路由判定则是由星载处理器根据包头检测和查找动态路由表来完成，而动态路由表则主要反映了卫星地理位置变化、星间链路状态变化和星上处理器状态变化等，网络中间节点卫星需要对经过的数据包进行复杂的路由交换处理，结果造成数据传输延迟和抖动。

地面成熟的波分复用(WDM)技术是解决上述问题的有效方案之一[15]。星上配置地面较为成熟的光器件，星间建立多波长通道，采用优化的波长路由技术进行路径选择，最终形成星上透明光转发、传输机制。利用波分复用和波长路由技术构建的星际通信网络，信息交换和处理以波长作为颗粒度在光域进行，简化路由策略，提高星载资源利用率，极大减少中间节点处理和时延。

4 深空光通信技术发展设想

基于上述调研结果与分析，结合国际上空间光通信技术发展路线，初步提出我国深空光通信技术的发展设想如下。

第一阶段：综合发展射频通信、激光通信和空间网络通信的系统能力。突破抗辐照星载单光子检测技术，充分发挥地面大口径光学天线系统的高接收增益和功率资源充足的优势，实现月地激光1～2 Gbit/s通信速率，为后续建立月地、火地高速中继网络提供高速链路基础，服务后续载人登月任务近实时对地通信。

第二阶段：突破宇航级EDFA和WDM技术，实现基于软件无线电技术的射频/激光混合通信系统在轨应用，火地通信速率可达100～200 Mbit/s。同时，采用高效路由协议和以大容量激光作为骨干链路的星际通信网络形成一定的规模和能力。

第三阶段：实现100 A.U.超远距离兆比特量级的通信能力。激光中继网络关键技术得到成熟应用和验证，基本建成行星际通信网络，实现月表组网、火星表面组网与深空空间网络的互联互通。

5 结束语

深空探测能力在很大程度上代表了一个国家航天的综合实力，而测控通信能力的强弱将直接影响深空探测的范围及探测能力。本文通过对国内外深空测控通信技术发展现状的分析，给出发展深空光通信技术的需求和途径分析，并提出对我国光通信技术在未来深空探测任务中的应用和发展的设想，为我国空间通信网络体系顶层规划，建设高效化、网络化深空光通信系统提供参考。