空间激光通信技术的研究

空间激光通信技术的研究

孙志强

湖北久之洋红外系统股份有限公司 430223

摘要：空间探测是世界各国在航空航天领域中探索宇宙需要的重要技术。随着空间通信要求的不断提高，传统的微波通信技术很难满足返回地球的大量科学数据日益增长的需求。相比于微波的载波频率，空间激光通信要高出多个量级，传输速度快、通信速率高、波段选择方便是未来空间通信中最具潜力的通信技术。为此，文章对空间激光通信技术的现状和发展趋势做了阐述，旨在可以为行业人士提供有价值的借鉴和参考，继而能更好的为行业的健康持续发展贡献一份力量。

关键词：空间激光通信技术；进展；趋势

引言：人们将卫星到地面及卫星到卫星的信息传输方式称为微波通信。随着人类航天探测活动日渐频繁，为微波通信使用创造了更大空间，但是当前微波通信宽带资源日益减少，不能满足实时高速通信需求。由此，急需寻找一种高频卫星通信技术。激光通信载波频率更高，带宽资源更加丰富，满足航天活动的通信需求。在地球的近地轨道空间存在人造通信卫星、空间站以及全球卫星导航系统等部分，它们需要在高度可靠、连续，并能抵抗电磁、电子或射频干扰的空间通信技术支持下才能与地面设施通信，并将数据进行传输。传统的空间通信系统采用特定频率范围内的无线电波在太空中以接近光速的速度进行传输。在考虑到覆盖的距离时，无线电波通信存在固有的重大延迟。光通信技术有望克服现有空间通信基于无线电的限制，其兼有无线电与光纤通信的优点，以激光为载波并有望在通信质量和通信安全性方面提供更优质的服务，在民用和军事领域中有非常重要的应用价值和重大的战略需求。

1空间激光通信技术发展现状

近些年，光通信技术飞速发展，已在多种链路开展了相关的演示验证。在此通信技术方面，美国遥遥领先。美国的研究人员开发了若干关键技术，包括指向、捕获和跟踪（PAT）技术、高灵敏度光学接收机和地面阵列望远镜。此外，美国已经成功演示了月球-地球激光通信，而其他国家，包括欧洲部分国家、俄罗斯及日本，已经开发了多个空间激光通信研究项目。美国空间激光通信的发展阶段：演示和实验、月地验证和深空验证。国内外主要发展现状:

（1）在空间激光通信方面，美国是最早开发此技术的国家。为了应对日益增长的空间通信需求，美国宇航局制定了要实现1至1000Mbps的高数据速率传输的一项计划。2008年，美国宇航局开始实施LLCD计划，在该计划中，月球卫星和地球地面站之间建立了双向通信链路，以验证以高数据速率运行紧凑、轻型飞行终端的可行性。2013年初，蒙娜丽莎的灰度图像从戈达德航天飞行中心传输到月球上的接收器，这是月球和地球之间图像的首次激光传输。2013年10月，飞机和地面终端分别实现了622Mbps和20Mbps的下行和上行数据速率。此外，月球和地球之间的首次连续测距达到了亚厘米精度。

（2）在空间激光通信技术领域，欧洲部分国家也较早地进行了相关研究。2008年，德国航空航天中心（DLR）开展GEOLEO项目，采用1.06微米载波的BPSK相干技术，在轨试验验证了远距离空间激光通信，在45000km的传输距离，最高速率达5.625Gb/s，误码率小于10-8；2015年，德国通过建立车载自适应光学通信地面站，完成了车载终端与LEO之间的高速率传输，传输速率为5.625Gb/s；同时，与地球同步卫星通信终端之间实现了有效速率为1.8Gb/s、带宽为2.8125Gb/s的双向激光通信。

（3）在空间激光通信技术领域，国内起步较晚。但经过近几年的发展，相关的研究成果显著。在通信系统技术及端机研制方面，已经获得显著进展和技术突破，相关成果丰硕。2013年，基于固定翼飞机平台，实现传输速率2.5Gb/s，距离144km的远距离激光通信试验。2017年，在卫星与地面间高速相干激光通信技术方面，首次开展了在轨试验，实现最高下行速率达5.12Gb/s的试验结果；同年，实现星地距离40000km，最高速率为5Gb/s的高轨卫星对地高速激光双向通信技术。我国在空间激光通信虽起步较晚，但近年来研究成果丰硕，与欧美发达国家相比还存在很大的差距，经过近些年相关工作的开展，在空间激光通信技术方面我国奋力追赶，正在逐步缩小与欧美发达国家在此技术方面的差距。

2激光通信技术发展的趋势

空间激光通信是一种在空间探测器和地球之间传输图像、视频和声音的无线通信方法，通过电光调制对光载波上的电信号进行调制。在采集、跟踪和指向阶段之后，通信终端可以建立和维护激光链路，其中携带信息的光束通过空间通信信道传输，信号在接收终端接收和解调。这些激光通信链路使得空间激光通信具有高数据速率、高安全性、高可靠性和更强的网络灵活性等优点。此外，激光通信系统终端重量轻、体积小、功耗低，载波频率高，衍射损耗低，方向性好，传输效率高等许多优点。微波卫星方式已不能满足传输速率40～100Gb/s的要求。因此，空间激光通信网络的建设对于未来空间通信网络的支撑意义重大。

发展空间激光通信技术意义重大、形势紧迫，欧美等发达国家在此技术方面已经走在了前列，因此，我国亟需开展相关研究。文章概述了空间激光通信的发展现状，激光通信发展的特点，并就此对其未来的发展趋势进行了研判。

（1）空间激光通信发展的意义。尽管航天探测任务在不断丰富，满足更高精度要求的通信能力也在不断提高，但微波通信模式已不能满足未来深空探测通信的需要。在火星和地球之间实现高速通信，要求数据速率达到250Mbps及以上，而微波通信速率很少达到100Mbps。激光通信有望成为深空通信的理想技术。

（2）空间激光通信的发展规律。美国通过月球与地球间的激光通信演示和验证，并逐渐扩展到了火星与地球间的通信。根据深空探测需要的发展，空间激光通信的目标将会遵循从近到远的发展规律逐步实现从月球到其他行星间的空间激光通信技术。

（3）深空激光通信的意义。由于月球近邻地球，成为了深空探测的首个目的地。是在太阳系中火星是与地球最为相似，最有可能存在外星生命的一个行星。深空探测任务中，月球和火星的探测频率最高。在未来的月球或火星任务中，高数据速率传输是极其重要的。因此，空间激光光通信技术将会是满足这些要求的最有前途的空间通信技术。

（4）复合通信系统的优势。在月球激光通信演示（LLCD）试验中，通过激光通信链路对月球和地球间的距离进行测量，精度为一厘米。在未来的深空激光通信任务中，将激光通信与测量功能结合，实现复合功能的通信系统将会更具优势。

结束语：

概而言之，通过上文的详细分析和阐释，我们可以知道，激光通信被认为是未来实现高数据速率传输，在深空探测中最有希望的通信技术策略。月球激光通信演示了月地之间双向通信链路激光通信，为深空激光通信发展迈出了重要的一步。该技术在未来的星际网络中将发挥重要作用。目前，国内外在此通信技术方面均没有形成更大的产业规模，这种通信技术所具有的巨大发展潜力使得各国积极投入资金和人力进行开发研究。我国在此方面也应该更加重视，在深空激光通信技术中抢占先机，夯实基础。

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