國(guó)外空間激光通信技術(shù)發(fā)展分析

  空間激光通信是一種利用激光束作為載波在空間進(jìn)行圖像、語(yǔ)音、信號(hào)等信息傳遞的通信方式。與傳統(tǒng)微波通信相比，激光通信具有傳輸速率快、通信容量大、抗電磁干擾性能強(qiáng)、保密性高等優(yōu)點(diǎn)，且其通信終端體積小、功耗低、實(shí)用性極高，引發(fā)各國(guó)研究熱潮?？臻g激光通信技術(shù)的發(fā)展和突破對(duì)增強(qiáng)空間信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、安全性以及未來(lái)深空探測(cè)意義重大，有望變革未來(lái)空間通信技術(shù)發(fā)展。

  隨著空間技術(shù)、傳感技術(shù)等的發(fā)展，衛(wèi)星及各種航天器所需的信息傳輸量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，目前空間通信所采用的以微波通信為主的通信手段已難以滿(mǎn)足急劇增長(zhǎng)的通信容量需求?？臻g激光通信具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率、較強(qiáng)的電磁抗干擾能力和安全保密性能，且激光通信設(shè)備還具有體積小、重量輕、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有潛力革新空間通信的顛覆性技術(shù)。

  高數(shù)據(jù)傳輸速率?？臻g激光通信的載波頻率范圍為190THz～560THz，約為微波通信頻率的數(shù)千倍乃至數(shù)萬(wàn)倍，具有巨大的寬帶提升空間，可實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，使從空間傳回海量視頻和高精度測(cè)量數(shù)據(jù)成為可能，對(duì)于自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)、軍事通信等具有重要的戰(zhàn)略意義。

  系統(tǒng)終端體積小、質(zhì)量輕、功耗低。相比于微波，激光的波長(zhǎng)要短數(shù)千至上萬(wàn)倍。波長(zhǎng)越短，能量越高，所受的衍射作用越小，激光所需的發(fā)射和接收天線尺寸可以成倍縮小，使得激光通信系統(tǒng)終端的體積、質(zhì)量和功率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于微波通信，高度滿(mǎn)足空間應(yīng)用對(duì)有效載荷小型化、輕量化、低功耗的要求。

抗電磁干擾能力強(qiáng)、安全保密性高?？臻g激光通信采用激光作為載波，激光光束極窄，發(fā)散角小于1mrad（毫弧度），亮度和能量密度極高，信息傳遞不易被其他設(shè)備捕獲，且鄰近衛(wèi)星間的通信干擾也可忽略不計(jì)，具有較高的抗電磁干擾能力和安全保密性能。

  盡管存在諸多優(yōu)勢(shì)，目前空間激光通信技術(shù)整體而言仍處于研究階段，尚面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，如激光通信較為受制于激光通信終端和探測(cè)器件、大氣湍流、大氣衰減等因素的影響和干擾，空間激光通信所需的地面基礎(chǔ)設(shè)施遠(yuǎn)未完備，空間激光通信高頻帶高寬帶的技術(shù)優(yōu)勢(shì)尚未完全挖掘等。

  美國(guó)、歐洲、日本等均在空間激光通信技術(shù)領(lǐng)域投入巨資進(jìn)行相關(guān)技術(shù)研究和在軌試驗(yàn)，對(duì)空間激光通信系統(tǒng)所涉及的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)了全面深入地研究，不斷推動(dòng)空間激光通信技術(shù)邁向工程實(shí)用化。

（一）美國(guó)NASA加速發(fā)展空間激光通信技術(shù)

  美國(guó)早期開(kāi)展的“激光通信演示系統(tǒng)”（OCD）、“轉(zhuǎn)型衛(wèi)星通信系統(tǒng)”（TSAT）等項(xiàng)目研究，為后期技術(shù)發(fā)展奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。近年來(lái)，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）尤為重視空間激光通信技術(shù)發(fā)展，并將其作為重要優(yōu)先事項(xiàng)，加速推進(jìn)空間激光通信技術(shù)的發(fā)展和成熟，使近地任務(wù)和深空任務(wù)的空間通信更為高效，以解決未來(lái)空間飛行任務(wù)面臨的海量數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題。

  “月球激光通信演示驗(yàn)證”項(xiàng)目。美國(guó)NASA于2013年10月成功開(kāi)展了“月球激光通信演示驗(yàn)證”（LLCD）項(xiàng)目，從月球軌道與多個(gè)地面站分別進(jìn)行了雙向激光通信試驗(yàn)，創(chuàng)造了622兆比特/秒的下行數(shù)據(jù)傳輸速率新記錄，上行數(shù)據(jù)傳輸速率也達(dá)到20兆比特/秒，首次驗(yàn)證了空間激光通信系統(tǒng)的可行性以及系統(tǒng)在空間環(huán)境中的可生存性。

  “激光通信中繼演示驗(yàn)證”項(xiàng)目。美國(guó)NASA正在開(kāi)展的“激光通信中繼演示驗(yàn)證”（LCRD）項(xiàng)目主要用于驗(yàn)證激光通信技術(shù)的有效性和可靠性等。該系統(tǒng)包括2個(gè)地球同步軌道星載激光通信終端和2個(gè)地面激光通信終端。NASA計(jì)劃于2019年發(fā)射星載激光通信終端至地球同步軌道，開(kāi)展為期2年的激光通信中繼演示驗(yàn)證任務(wù)。任務(wù)中，位于美國(guó)加州的地面站將向距地約3.6萬(wàn)千米的地球同步軌道星載激光通信終端發(fā)射激光信號(hào)，隨后地球同步軌道星載激光通信終端將信號(hào)中繼到另一個(gè)地面站。目前，NASA“激光通信中繼演示”系統(tǒng)已成功通過(guò)關(guān)鍵決策點(diǎn)評(píng)審，進(jìn)入開(kāi)發(fā)整合與測(cè)試階段。

  “深空光學(xué)通信”項(xiàng)目。“深空光學(xué)通信”（DSOC）項(xiàng)目通信距離比“激光通信中繼演示驗(yàn)證”項(xiàng)目更遠(yuǎn)，致力于研究激光通信對(duì)于深空任務(wù)數(shù)據(jù)速率、占用空間和功耗的改進(jìn)作用?！吧羁展鈱W(xué)通信”系統(tǒng)激光通信裝置預(yù)計(jì)于2023年搭載NASA“普賽克”航天器飛抵一顆由金屬元素組成的小行星，屆時(shí)將對(duì)激光通信技術(shù)進(jìn)行測(cè)試。

  “一體化射頻與光學(xué)通信”項(xiàng)目。NASA格倫研究中心團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)展“一體化射頻與光學(xué)通信”（IROC）概念研究，計(jì)劃向火星軌道發(fā)送一顆激光通信中繼衛(wèi)星，用于接收遠(yuǎn)距離航天器的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)中繼至地球?！耙惑w化射頻與光學(xué)通信”系統(tǒng)將使用射頻和激光集成通信系統(tǒng)，既可為使用激光通信系統(tǒng)的新型航天器提供服務(wù)，也可為使用射頻通信系統(tǒng)的傳統(tǒng)航天器提供服務(wù)，將有效促進(jìn)NASA所有空間資產(chǎn)間的互操作性。

（二）歐空局重點(diǎn)推進(jìn)激光通信系統(tǒng)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)

  歐空局（ESA）早期實(shí)施的“半導(dǎo)體激光星間鏈路試驗(yàn)”（SILEX）等項(xiàng)目首次驗(yàn)證了低地球軌道（LEO）至地球同步軌道（GEO）的星間通信，項(xiàng)目取得的極大成功給了歐空局極大的信心。2008年底，歐空局決定在其“歐洲數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)”（EDRS）中應(yīng)用激光通信終端，以促進(jìn)空間激光通信系統(tǒng)的研發(fā)和實(shí)施達(dá)到成熟階段，并以商業(yè)模式運(yùn)營(yíng)。近年來(lái)，“歐洲數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)”取得了一系列突破性進(jìn)展，成為世界上首個(gè)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的高速率空間激光通信系統(tǒng)。

  “歐洲數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)”是由歐空局和空客防務(wù)與航天公司在“公私合作伙伴關(guān)系”（PPP）機(jī)制下共同研發(fā)的世界首個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的商業(yè)化空間激光通信系統(tǒng)， 其中歐空局負(fù)責(zé)系統(tǒng)研發(fā)，空客防務(wù)與航天公司作為項(xiàng)目主承包商負(fù)責(zé)系統(tǒng)的建造、發(fā)射和運(yùn)營(yíng)?！皻W洲數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)”通過(guò)采用激光通信技術(shù)在地球靜止軌道為近地軌道衛(wèi)星、機(jī)載平臺(tái)向歐洲地面站近實(shí)時(shí)地中繼傳輸大量數(shù)據(jù)?！皻W洲數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)” 一期系統(tǒng)的空間段包括兩個(gè)地球靜止軌道節(jié)點(diǎn)，分別是EDRS-A數(shù)據(jù)中繼有效載荷和配置了數(shù)據(jù)中繼有效載荷的EDRS-C專(zhuān)用衛(wèi)星。

  “歐洲數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)”的首個(gè)激光通信中繼載荷EDRS-A已于2016年1月30日成功發(fā)射，邁出了構(gòu)建全球首個(gè)衛(wèi)星激光通信業(yè)務(wù)化運(yùn)行系統(tǒng)的重要一步。EDRS-A可提供激光和Ka波段兩種雙向星間鏈路，星間傳輸速率可達(dá)1.8吉比特/秒。在完成一系列在軌測(cè)試后，EDRS-A于2016年6月成功傳輸了歐洲“哨兵”1A雷達(dá)衛(wèi)星的圖像，并于2016年7月進(jìn)入業(yè)務(wù)運(yùn)行階段。EDRS-A載荷實(shí)現(xiàn)在軌服務(wù)，表明歐洲已率先實(shí)現(xiàn)星間高速激光通信技術(shù)的業(yè)務(wù)化應(yīng)用，是近年來(lái)歐洲航天技術(shù)快速發(fā)展的一個(gè)重要里程碑。

  歐空局計(jì)劃在2020年擴(kuò)展成為全球覆蓋系統(tǒng)，形成以激光數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星與載荷為骨干的天基信息網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星、空中平臺(tái)觀測(cè)數(shù)據(jù)的近實(shí)時(shí)傳輸。EDRS不僅將滿(mǎn)足歐洲航天活動(dòng)對(duì)空間數(shù)據(jù)傳輸速率、傳輸量和實(shí)時(shí)性日益增長(zhǎng)的需求，更將使歐洲擺脫對(duì)非歐地面站的依賴(lài)，保持空間通信的戰(zhàn)略獨(dú)立性。歐空局認(rèn)為，美國(guó)防部及其無(wú)人機(jī)機(jī)隊(duì)將是EDRS未來(lái)的主要市場(chǎng)。

（三）日本致力于激光通信終端小型化研究

  日本主要采取國(guó)際合作的方式進(jìn)行空間激光通信技術(shù)研究，早期開(kāi)展的“地面軌道間激光通信演示驗(yàn)證”（GOLD）等項(xiàng)目取得了巨大的成功，實(shí)現(xiàn)了世界首次低軌衛(wèi)星與地面站及移動(dòng)光學(xué)地面站之間的激光通信試驗(yàn)。近年來(lái)，為保持空間激光通信技術(shù)方面的優(yōu)勢(shì)，日本開(kāi)始向激光通信終端小型化、輕量化、低功耗方向發(fā)展。

“空間光通信研究先進(jìn)技術(shù)衛(wèi)星”計(jì)劃。日本“空間光通信研究先進(jìn)技術(shù)衛(wèi)星”（SOCRATES）計(jì)劃旨在驗(yàn)證適用于50千克級(jí)小衛(wèi)星的“小型光學(xué)通信終端”（SOTA）。2014年5月，“小型光學(xué)通信終端”搭載低軌小衛(wèi)星發(fā)射入軌，并于2014年8月至11月間成功開(kāi)展了低軌衛(wèi)星對(duì)地激光通信試驗(yàn)?！靶⌒凸鈱W(xué)通信終端”總質(zhì)量?jī)H為5.8千克，最遠(yuǎn)通信距離達(dá)1000千米，下行通信速率10兆比特/秒，可構(gòu)建絕對(duì)安全的全球光通信網(wǎng)絡(luò)，使得飛機(jī)、衛(wèi)星收集的高分辨率圖像數(shù)據(jù)可通過(guò)空間激光通信鏈路下傳至地面站。

  “激光數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”計(jì)劃。日本2015年1月9日公布的新版《宇宙基本計(jì)劃》將“激光數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”計(jì)劃正式列入其中，并于2015財(cái)年下?lián)芰?2.08億日元作為啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)。日本計(jì)劃2019年發(fā)射“激光數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”，將當(dāng)前數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)的微波鏈路替換為激光鏈路，通過(guò)激光實(shí)現(xiàn)先進(jìn)光學(xué)衛(wèi)星等新一代高分辨率對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星之間的通信，預(yù)設(shè)通信速率達(dá)2.5吉比特/秒，屆時(shí)將使日本獲得更高速的實(shí)時(shí)觀測(cè)能力。

  空間激光通信的高速率和高安全性將不斷滿(mǎn)足航天活動(dòng)對(duì)空間數(shù)據(jù)傳輸速率、傳輸量和實(shí)時(shí)性日益增長(zhǎng)的需求，必將使其成為未來(lái)空間通信的主要形式。深入挖掘和利用空間激光通信蘊(yùn)含的巨大應(yīng)用價(jià)值，對(duì)增強(qiáng)當(dāng)前空間信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、安全性以及未來(lái)深空探測(cè)意義重大。

（一）滿(mǎn)足信息化戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)通信帶寬不斷增長(zhǎng)的需求

  現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)通信帶寬的需求越來(lái)越大，如戰(zhàn)場(chǎng)遙感測(cè)繪信息、實(shí)時(shí)戰(zhàn)斗高清圖像、強(qiáng)干擾復(fù)雜電磁環(huán)境下的指令交互等無(wú)一例外需要穩(wěn)定的信息傳輸技術(shù)做保障，使得對(duì)通信系統(tǒng)帶寬資源需求急劇增長(zhǎng)。傳統(tǒng)微波衛(wèi)星通信系統(tǒng)由于成本高昂，且衛(wèi)星軌道資源和頻譜資源日益緊缺，難以滿(mǎn)足作戰(zhàn)人員獲取實(shí)時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)的迫切需求?？臻g激光通信系統(tǒng)具有巨大的帶寬提升空間，可實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，能夠充分保證戰(zhàn)場(chǎng)海量信息的實(shí)時(shí)性傳輸。同時(shí)，激光收發(fā)裝置和信號(hào)處理裝置體積小、重量輕、功耗低，星上配備多個(gè)激光收發(fā)裝置具備可行性，為后續(xù)發(fā)展多天線激光通信技術(shù)奠定基礎(chǔ)，從而可進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)傳輸速率，保證戰(zhàn)場(chǎng)信息的及時(shí)傳輸。

（二）保證戰(zhàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院头€(wěn)定性

  戰(zhàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院头€(wěn)定性對(duì)于確保作戰(zhàn)單元信息優(yōu)勢(shì)的全程獲取和作戰(zhàn)效能的充分發(fā)揮至關(guān)重要。傳統(tǒng)的微波通信技術(shù)由于頻譜規(guī)劃的公開(kāi)性以及信號(hào)旁瓣泄露問(wèn)題，使得敵方極易通過(guò)信號(hào)偵收設(shè)備進(jìn)行信號(hào)的分析和破解，造成安全隱患。同時(shí)，成熟的高功率寬帶電磁脈沖技術(shù)也會(huì)使傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信技術(shù)在戰(zhàn)場(chǎng)上被干擾，失去戰(zhàn)場(chǎng)制信息權(quán)?？臻g激光通信具有高安全性特點(diǎn)，很難被竊取和干擾，完全避免了傳統(tǒng)微波通信技術(shù)存在的不足，其極強(qiáng)的方向性波束使得信號(hào)的泄露幾乎可以忽略不計(jì)，且激光通信的高頻率和高帶寬也將使傳統(tǒng)的干擾壓制手段失效。

（三）實(shí)現(xiàn)近地任務(wù)和深空任務(wù)高效空間通信

  激光通信技術(shù)有望使數(shù)據(jù)傳輸速率比射頻通信提高至少10～100倍，可在從低地球軌道到星際的所有空間區(qū)域中大幅提高數(shù)據(jù)傳輸速率，使近地任務(wù)和深空任務(wù)的空間通信更加高效。更高的數(shù)據(jù)傳輸速率意味著未來(lái)能從太陽(yáng)系內(nèi)任何位置傳輸直播視頻，還可增加載人深空探索任務(wù)的通信帶寬，從而幫助研究人員更快地采集科學(xué)數(shù)據(jù)，研究塵暴或航天器著陸等突發(fā)事件，甚至從其他行星表面發(fā)送視頻?？梢韵胂?，空間激光通信網(wǎng)絡(luò)一旦建立，人類(lèi)或?qū)㈤_(kāi)啟至月球的快速可靠的數(shù)據(jù)連接網(wǎng)絡(luò)，甚至還可以連接至火星和更遙遠(yuǎn)的星球，為人類(lèi)征服遙遠(yuǎn)的星辰提供重要的通信支持。