激光星间链路终端技术发展与展望_夏方园.pdf

第 卷第期 年月光学技术 文章编号：（）激光星间链路终端技术发展与展望夏方园，汪勃，张国亭，伍剑，张建华，陈祥，张福瑞，李瑶（北京跟踪与通信技术研究所，北京 ）（北京邮电大学 电子工程学院，北京 ）（西安空间无线电技术研究所，西安 ）（西安工业大学 光电工程学院，陕西 西安 ）摘要：激光星间链路主要用于卫星之间高速数传，是构建天基信息网络的关键技术。目前国外通信、遥感、导航和中继等卫星系统都已计划部署激光通信终端，激光星间链路技术已从在轨演示验证向大规模组网应用阶段发展。简要梳理了国际上现有组网卫星系统的激光星间链路终端技术发展情况，对激光星间链路的技术体制和终端分类进行了总结；侧重分析了我国激光星间链路终端技术发展现状及大规模应用面临的主要问题，针对重难点技术的解决途径进行了思考；对激光星间链路终端未来的发展趋势做了展望，尤其是轻小型化设计与实现、宽带化、一对多光学天线和网络化等技术发展趋势进行了分析。关键词：星间链路；激光通信；通信与测量；小型化；发展与展望中图分类号：；文献标识码：，（，）（，）（，）（，）：，；，：；收稿日期：；收到修改稿日期：基金项目：中国博士后科学基金（）；国家自然科学基金（，）作者简介：夏方园（），男，高级工程师，博士后，从事空间激光通信系统总体设计技术和星间链路技术研究。通讯作者：DOI:10.13741/ki.11-1879/o4.2023.02.009引言激光星间链路终端以激光作为信号的载波，通过对激光的幅度和相位进行调制实现星间信息传输的目的。激光星间链路具有以下作用和特点：（）实现星间测量与通信：（）多星形成有机整体，扩展单星能力；（）解决布站受限情况下的测控数传覆盖率的问题；（）丰富定位、定轨、时间同步等的测量手段；（）无大气衰减、不受气候因素影响；（）链路性能好、测量精度高；（）星间协同信息无需传回地面处理，通信延时小。通过激光星间链路将多颗卫星互联在一起，形成以卫星作为交换节点的空间通信网络。激光星间链路的引入，使得卫星系统能够更少地依赖于地面网络，更为灵活方便地进行路由选择和网络管理。相比于微波通信，激光星间链路终端具有大带宽、束散角小和窄波束等特点，通信容量大、保密性强、终端易于轻量化，具有广阔应用前景。各航天大国均投入大量人力物力研究星间链路的应用，挖掘和发挥激光星间链路的效益。本文综述了激光星间链路终端技术在国内外各卫星系统的应用和在轨建链情况，对星间链路终端的组网体制进行了比较和分析，结合星间链路应用场景对终端种类进行了分类；然后对激光星间链路终端在轨大规模组网应用存在的问题进行了分析了思考，提出了解决思路；最后，展望了激光星间链路终端技术所面临的挑战以及未来的发展方向。国外发展现状目前国外通信、遥感、导航和中继等卫星系统都已部署或计划部署激光星间链路终端，下面按照卫星系统应用类型介绍国外近期具有代表性的激光星间链路终端的发展现状。骨干网激光星间链路国外使用激光链路建设的骨干网典型代表是“欧洲数据中继卫星系统，（，）”。的空间段包括三个地球静止轨道节点，分别是 （轨位 ，年月 日发射）、（轨位 ，年 月 日发射）与 （轨位 ，计划于 年前发射），设计的天基网络如图所示。经统 计，年 月 至 年 月 期 间，已在轨成功建链超过 次（大约每 月 次）。与 终端通信的返向典型速率为 。经统计，在 年月至 图欧洲数据中继卫星系统网络示意图年月期间传输数据总量达 ，可用度高于 。不 同 于 其 他 项 目 的 单 纯 点 对 点 建 链，系统已经对激光通信组网进行了考虑，并制定了相应的 标准建议，其要点如下：（）收发采用 波段异频点，终端 状态发射频率 ，终端状态发射频率 ，发射接收频率差 ；（）终端状态发射左旋圆偏光，终端状态发射右旋圆偏光，收发偏振隔离；（）类终端和类终端可互相转换。低轨组网激光星间链路 星链终端 （星链）是美国太空服务公司 正在构建的 （非对地静止轨道）卫星系统，由个子星座以及相关的地面控制设施、网关地球站和用户地球站组成，系统建成后，将由近 颗卫星构成的巨型星座提供覆盖全球的高速互联网接入服务，。在 年月 日，发射 颗卫星均配备激光终端，从 年开始发射的所有 卫星均配备激光终端，届时激光终端将成为 卫星标配载荷。图星链卫星整流罩内部激光通信终端 黑杰克终端“黑杰克”项目是国防高级研究计划局（）年发起的研究和开发项目，该项目是一个基于低轨道卫星即插即用设计理念，意在展示由更小、更轻、更廉价卫星节点构成的全球低轨星座和光学技术第 卷图黑杰克项目全球组网示意网状网络的重要军用价值的架构验证项目，如图所示。计划 年发射个演示有效载荷，以检测光学卫星通信系统全域作战和多传感器在轨数据融合能力。这个有效载荷中个由定制设计的微纳卫星携带，个由商业卫星携带。其中两项试验聚焦激光链路，一项测试卫星之间的连接，另一项测试从卫星到地面“死神无人机”的连接。光学星间链路是“传输层”的关键赋能者，将作为联合全域指挥与控制的通信骨干。典型低轨互联网激光终端产品尽管低轨星座相对应的激光星间链路终端设计未公开报道，但是国外激光终端厂家均推出了面向低轨应用的典型产品，具体参数如表所示。表国外低轨组网激光通信终端典型产品技术指标指标 链路距离 调制方式 信息速率 重量 功耗 其中 公司低轨互联应用，提出了控终端构成的网络节点，如图（）所示。验证了空间可靠性，总剂量 （）免疫。典型产品规划有 ，两种，采用相干体制进行高速传输，和 ，高功率光放输出功率为 可调，接收段采用预放保持高信噪比接入。纵观近 年空间激光通信技术进展，国外空间激光通信已广泛应用骨干网、低轨卫星互联网和深空组网等领域，如图所示。国内发展现状我国卫星激光通信技术研究起步比较晚。目（）终端（）终端（）终端（）终端图国外典型低轨组网激光星间链路终端图国外激光通信终端发展历程前，已有 余家研究单位开展了卫星激光技术的研究。经过多年研究，国内科研单位在激光通信技术方面获得了长足的进步。“十五”期间，国内卫星激光通信技术正式起步。年，海洋二号卫星对地激光通信终端搭载演示试验项目立项，并于 年开展了激光链路动态跟瞄演示验证试验。年，搭载激光通信终端的海洋二号卫星发射并且验证星地激光通信技术，通信最高速率 ，采用 通信体制，链路距离约 。年，实践十三试验卫星搭载星地链路激光通信试验载荷，采用 通信体制，通信码速率为 ，链路距离约 。实践十三试验卫星于 年月发射，并开展了星地激光链路捕跟、通信性能试验验证。年月 日，全球首颗量子科学试验卫星“墨子”号成功发射，并实现了国内首个低轨卫星对 地 相 干 激 光 通 信 链 路 验 证，星 上 终 端 采 用 调制方式，链路距离约 ，传输速率 。参加试验的地面站由中科院光电所等单位研制，实现了星地链路高精度激光通信的捕获跟踪，建立了星地激光链路。年月，发射的实践二十卫星搭载了激第期夏方园，等：激光星间链路终端技术发展与展望光通信终端，依托实践二十卫星激光星地链路开展了星地链路通信与跟踪一体化相干跟踪技术攻关，采用光纤章动式提取位置误差信号，跟踪精度达到 （），实测耦合效率提高到。年，某低轨组网星实现了我国首次低轨星间相干体制的激光星间链路，并开展了大量的星间建链工作。该组网卫星激光星间链路载荷研制和在轨试验，极大地推动了我国的激光星间链路水平。激光星间链路组网体制及终端分类 波长体制激光 通 信 典 型 波 长 包 括 、和 波段。其中，易受背景光影响，且发射功率受限，不适用于远距离高速应用场景，目前主要作为作为信标光使用；波长体制主要被欧洲采用，具有激光发射光电转换效率高的优点，但我国对于该波长光电子器件获得性不强；波段具备如下优点：（）相同量子效率光响应度高；（）波长与地面光纤通信波长相同，我国对于该波段器件可获得性强；（）激光器、高功率光放大器、低噪声光放大器、光电探测模块等关键器件均已完成国产化器件研制，并通过典型应用环境验证，具有光器件可得性高优势。因此我国军民用项目激光链路均选取 波段。参考 建议的 波段一共有 个频点可用，从 每隔 一个频点，波段可选择波长对应频点如图所示。目前国内在轨运行和规划建设的卫星系统有 以内的同频段异频点和间隔 以上的异频两种波长网络体制，同频段波长体制的激光终端接收天线通常需采用离轴望远镜设计以实现收发高隔离，实现难度大、成本高，需要高光学隔离度（左右）并结合电域隔离措施才能满足系统收发隔离需求；当采取异频波长体制且波长间隔大于 时，光学天线可采用同轴设计，加工装调成本低，通 过 光谱 滤波 的 方式，系统 光 学 隔离度 可达 。图信号光 波长选择示例激光终端同频体制和异频体制适用于不同的场景。根据目前国内外的激光终端使用情况，对于激光终端轻小型化、低功耗要求较高时，采用异频方案，典型 应 用 如 深 空 探 测 点 对 点 通 信（和 计划）；而要求较高通信速率、终端口径较大应用场景，一般采用同频段异频点体制，典型应用如中继卫星系统（）。通信体制空间激光通信常用的通信体制包含相干通信与非相干通信两种，目前国际上两种通信体制都已完成在轨关键技术验证，并进行规模化组网建设部署阶段，本节内容主要就两种通信体制的激光通信终端单机配置、关键特性等方面进行介绍。与非相干体制相比，相干体制激光通信终端需增加本振激光器、光混频器和电光调制器等模块，具有更加复杂的信号激光器、光放大器、光探测器和光学单元，器件指标和工艺要求较高，光接收机结构复杂，实现难度较大；接收端的技术，是相干通信体制的核心，在相同链路和相同误码率条件下，相对于传统的非相干光通信，相干光接收机的探测灵敏度可以提升 ，即 倍。为提高传统非相干光接收机的灵敏度，非相干体制激光通信终端通常需增加低噪放提升光接收机灵敏度，基于光纤低噪声放大器放大的接收灵敏度，其性能受限于光低噪放的噪声系数、光窄带滤波器的带宽以及光电探测器的响应度等，光纤滤波器本身带宽无法做窄，不能实现匹配滤波器作用，非相干体制的接收机灵敏度仍低于相干体制 以上，两种通信体制优缺点比对分析如表所示。表两种通信体制关键特性对比关键指标非相干体制相干体制接收灵敏度低于相干体 制 ，增 加 低噪放后，仍 低 于 相 干 接 收 机 以上比 非 相 干 高，相 同 条 件下，终端体积和功耗有优势抗干扰由于是强度探测方式，需要规避空间背景光干扰抗背景噪声能力强，接收机信噪比高，具备近日凌免疫的能力系统复杂性接收机结构简单，易于实现接收机结构复杂，实现具有较高技术门槛成本非相干发射机的激光器和调制有集成芯片的货架产品，接收机直接探测成本较低相干接收机需增加混频移相器和本振激光器，成本较高综上所述，相干体制适用于链路距离较远和速率较高的工程应用场景，非相干体制适用于链路距离较近和速率较低的工程应用场景。在具体工程建光学技术第 卷设时，通信体制的设计需要综合考虑链路距离、通信速率、信号光发散角和发射功率、光学天线口径、终端重量、功耗和成本等因素的优化折中。捕获体制在空间 激 光 通 信 的（、）技术中，捕获是建立通信链路的关键。由于星历表、卫星姿态和轨道等方面的误差，在星际间寻找目标的过程中，只能知道目标出现的不确定区域。另外，捕获是在光开环的状态下工作，加上存在卫星之间相对运动、卫星平台振动以及空间背景光干扰，更加增大了捕获的难度。捕获过程中，信标光的光源可以使用脉冲光源、载波调制光源和稳定连续的光源。在探测器选择方面，用于捕获的探测器有四象限探测器（，）、电 荷 藕 合 器 件 图 像 传 感 器（，）和互补 性 氧 化 金属 半 导 体（，）等。根据信标光在捕获中的方式和特征，可以采用以下几种方案进行捕获：“信标光信号光”捕跟体制和“无信标光”捕跟体制。“信标光信号光”捕获方案是指激光通信终端采用单独的信标光，相对于 波段的信号光，较宽的信标光束按照一定的扫描方式对不确定区域进行扫描，终端采用大视场的捕获探测器监测接收信标光的质心位置，实现对信标光的捕获跟踪，进而牵引信号光至跟踪探测器接收视场进行精跟踪，最终实 现 激 光 建 链。在 欧