空間激光通信

1、空間激光通信研究現(xiàn)狀空間激光通信相對(duì)射頻通信有著速率高、容量大等許多優(yōu)點(diǎn)，從上世紀(jì)80年代起，各國就陸續(xù)開展了對(duì)空間激光通信的研究。目前，各國激光通信的調(diào)制方式主要分為PPM、PSK和OOK三種，本文按照調(diào)制方式對(duì)各國的空間激光通信研究現(xiàn)狀進(jìn)行描述。1，PPM歐洲的SILEX項(xiàng)目、OPTEL項(xiàng)目和美國的LLCD項(xiàng)目、LCRD項(xiàng)目、MLCD項(xiàng)目使用或部分使用PPM調(diào)制方式。1.1，LLCD項(xiàng)目13 LLCD是美國NASA2013年開始實(shí)行的一個(gè)項(xiàng)目，該項(xiàng)目建了兩個(gè)探測(cè)器，月球環(huán)境探測(cè)器LLST和地面站LLGT，LLST和LLGT的通信距離距離在35000400000km之間。 如圖1（1）所示，

2、地面站LLGT重達(dá)7噸，有4個(gè)15cm發(fā)射鏡頭和4個(gè)40cm接收鏡頭組成。LLGT的發(fā)射機(jī)使用的調(diào)制方式為4-PPM，每4個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)隙后跟有12個(gè)或者28個(gè)靜默時(shí)隙，發(fā)射激光器的波長是1550nm，通過4個(gè)發(fā)射鏡頭實(shí)現(xiàn)4路時(shí)分復(fù)用，信號(hào)發(fā)射前經(jīng)過一個(gè)10W光放大器放大，傳輸速率為10/20Mbps，這個(gè)速度是目前地月RF通信的5000倍。為降低誤碼率采用了turbo碼作為信道編碼，碼率為1/2，實(shí)現(xiàn)了0誤碼。4路接收鏡頭陣列有效提高了接收信號(hào)強(qiáng)度，接收機(jī)是4個(gè)超導(dǎo)單光子計(jì)數(shù)探測(cè)器（工作在3K溫度上），接收靈敏度極高，如圖1（2）所示，能夠提供高速光子計(jì)數(shù)測(cè)量1。 月球探測(cè)器LLST由光學(xué)模塊、調(diào)

3、制解調(diào)器、電子控制器三個(gè)模塊組成2，質(zhì)量30kg。光學(xué)模塊由一個(gè)10cm鏡頭的鏡頭組成，完成發(fā)射和接收光信號(hào)的功能，光學(xué)模塊安裝在一個(gè)二軸平衡臺(tái)上，臺(tái)上有粗瞄準(zhǔn)和捕獲探測(cè)器，該模塊能夠測(cè)試飛船的振動(dòng)并進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)對(duì)地面站的瞄準(zhǔn)和捕獲，光學(xué)模塊通過光纖耦合到調(diào)制解調(diào)模塊上。調(diào)制解調(diào)模塊的主要功能是調(diào)制和解調(diào)光信號(hào)，如圖2所示，模塊內(nèi)置了311MHz低噪聲時(shí)鐘（經(jīng)VCO可倍頻至5GHz），解調(diào)模塊前置了一個(gè)0.5W的放大器，對(duì)接收光信號(hào)進(jìn)行放大，光信號(hào)進(jìn)入后一部分經(jīng)PLL使時(shí)鐘頻率同步，一部分進(jìn)入解調(diào)器，解調(diào)器的時(shí)隙時(shí)鐘由頻率同步后的時(shí)鐘提供（不需要額外的時(shí)隙同步），F(xiàn)PGA的主要作用是上行鏈路

4、幀同步，下行鏈路產(chǎn)生幀信號(hào)發(fā)送出去3。電子控制器模塊有一些控制算法功能包括穩(wěn)定光模塊等。LLST的激光器功率僅為0.5W，波長為1550nm，使用的調(diào)制方式16-ppm，速率達(dá)到了40-622Mbps，使用turobo碼信道編碼，碼率為1/2，速率為40/80/155/311Mbps時(shí)可做到0誤碼，速率622Mbps時(shí)誤碼率小于10-5。上行鏈路速度明顯小于下行，一個(gè)原因是地面接收機(jī)沒有體積質(zhì)量等要求，靈敏度可以做的很高，另一個(gè)原因是大氣信道具有不對(duì)稱性，對(duì)上行鏈路的影響較大，使之誤碼率變高。圖1 （1）地面站LLGT （2）接收機(jī)在各個(gè)速率下的接收靈敏度圖2 月球探測(cè)器LLST信號(hào)處理過程

5、LLCD除了實(shí)現(xiàn)月地高速通信外，還實(shí)現(xiàn)了cm距離精度的測(cè)距功能3。1.2，LCRD項(xiàng)目452013美國NASA提出LCRD激光通信衛(wèi)星中繼項(xiàng)目（后面的數(shù)據(jù)都是預(yù)定的，還未實(shí)測(cè)），任務(wù)包括：高速地面和GEO雙向通行；GND-GEO-GND中繼實(shí)驗(yàn)；驗(yàn)證PPM適合深空通信和功率受限的小型星地通信，DPSK適合近地高速通信。如圖3所示，LCRD終端包括DPSK模塊、PPM模塊和光學(xué)控制模塊5。PPM模塊與LLCD的PPM模塊類似，下行將使用1/2碼率串行級(jí)聯(lián)16-PPM的turbo碼，上行4-PPM，使用硬判決方式，時(shí)鐘、速率等和LLCD一樣，調(diào)制模塊使用的是MOPA結(jié)構(gòu)，CW激光器經(jīng)馬赫-曾德爾調(diào)

6、制器調(diào)制后，再經(jīng)二階EDFA放大到0.5W平均功率發(fā)射。接收機(jī)有前置放大器，后分三路，分別用以通信、時(shí)鐘恢復(fù)、空間跟蹤。DPSK模塊有著優(yōu)越的噪聲耐性，因而可以支持極高的速率，速率72Mbps2.88Gbps(編碼后1.25Gbps)，未來改進(jìn)中有望支持10Gbps。DPSK模塊的調(diào)制過程與PPM模塊的幾乎一摸一樣，但是DPSK功率要求高，受限于EDFA平均功率，DPSK模塊只在小部分時(shí)間內(nèi)發(fā)送脈沖4。DPSK解調(diào)模塊使用平衡接收和硬判決方式，與BPSK解調(diào)方式不同，DPSK不需要本地振蕩器，只需要將一部分信號(hào)光延時(shí)后與原信號(hào)干涉即可。地面站有兩個(gè)，一個(gè)是LLCD項(xiàng)目中的LLGT地面站，可接收

7、和發(fā)射PPM信號(hào)。另一個(gè)是OCTL地面站，可接受和發(fā)射DPSK和PPM信號(hào)。圖3 衛(wèi)星LCRD終端1.3，其他PPM項(xiàng)目 2009美國NASA提出MLCD6（火星激光通信演示驗(yàn)證），如圖4所示，火星到地球信道衰減較大，因此將使用PPM調(diào)制方式，計(jì)劃實(shí)現(xiàn)1100Mbps深空高數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通信，衛(wèi)星上用直徑30.5cm天線，采用CCD成像接收，發(fā)射用MOPA結(jié)構(gòu)。地面采用直徑1m光學(xué)天線，4路復(fù)用，或者6路直徑30cm天線，波長1060nm。圖4 太陽系信道衰減圖SILEX78是2001年法國在GEO和LEO衛(wèi)星進(jìn)行的通信實(shí)驗(yàn)，通信距離4000km，調(diào)制方式為PPM，速率為50Mbps，誤碼率為10-

8、6。OPTEL9是瑞士的一個(gè)激光通信項(xiàng)目，短距離到長距離多個(gè)衛(wèi)星終端200080000km，速率在1.52.5Gbps之間。OPTEL-25終端：LEO-LEO，調(diào)制方式為BPSK，信號(hào)光波長1064nm功率1.25W，使用信標(biāo)光瞄準(zhǔn)捕獲，信標(biāo)光波長808nm。OPTEL-u終端，星地通信衛(wèi)星，下行2X1.25Gbps，調(diào)制方式OOK，可切換至8-ppm，上行調(diào)制方式為16-PPM。2，OOK 早期的項(xiàng)目使用的一般是OOK，日本的LUCE、歐洲的OPTEL、美國的OPLAS使用或者部分使用OOK調(diào)制方式。2.1，OPALS項(xiàng)目1013 OPALS項(xiàng)目是美國JPL（噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室）2014年實(shí)施

9、的空間站與地面站激光通信實(shí)驗(yàn)，考慮到價(jià)格和風(fēng)險(xiǎn)等因素，OPALS的終端沒有使用最先進(jìn)的激光通信科技，終端結(jié)構(gòu)如圖5所示。OPALS的主要作用是獲得大氣干擾數(shù)據(jù)，測(cè)試連接可靠性，測(cè)試開環(huán)瞄準(zhǔn)捕獲跟蹤的性能。 OPALS為單向通信鏈路，下行主要參數(shù)有：調(diào)制方式為OOK，速率3050Mbps，誤碼率10-4，通信波長1550nm，平均功率2.5W，傳輸距離700km。OPALS的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)和光學(xué)鏡頭安裝在2軸平衡架上，上面裝有等步進(jìn)馬達(dá)，能夠調(diào)節(jié)110°X40°范圍的發(fā)射角度。光學(xué)模塊上有一個(gè)976nm感光相機(jī)用以捕獲和跟蹤地面信標(biāo)光，還有一個(gè)瞄準(zhǔn)儀用來發(fā)射信號(hào)光。地面站OGTL光

10、學(xué)鏡頭用以發(fā)射976nm信標(biāo)光和接收1550nm信號(hào)光。標(biāo)激光波長976nm，功率5W，光束角度1.7mrad。地面站和空間站通過RF通信來分析激光通信的性能。圖5 OPALS終端2.2，其他OOK項(xiàng)目LUCE1415（前身是第一個(gè)星地激光通信終端LCE,1995,LEO-GND，速度1.04Mbps ）是日本和歐洲早期進(jìn)行的一個(gè)激光通信實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：（1）2005日本和歐洲進(jìn)行了GEO-LEO通信實(shí)驗(yàn)，通信距離48000km，發(fā)射波長847nm，接收波長819nm，調(diào)制方式為OOK，接收速率為2.048Mbps，發(fā)射速率50Mbps，誤碼率達(dá)10-7。（2）2006年日本進(jìn)行GEO

11、-GND通信實(shí)驗(yàn)，在OICETS衛(wèi)星與NICT地面站間進(jìn)行激光通信，發(fā)射波長847nm，接收波長819nm，調(diào)制方式為OOK，上行速率為2.048Mbps，下行速率為50Mbps，誤碼率10-7。3，PSK 歐洲的LCTSX、EDRS和美國的LCRD使用或者部分使用PSK調(diào)制方式。3.1，LCTSX項(xiàng)目和EDRS項(xiàng)目16182008年歐洲開始實(shí)施LCTSX項(xiàng)目及后續(xù)的EDRS項(xiàng)目(2014)。LCTSX項(xiàng)目歐洲做了三個(gè)LCT終端，兩個(gè)在衛(wèi)星站，一個(gè)在地面站。 LCTSX的LCT終端總功率120W（光傳輸功率0.7W），鏡頭鏡頭125mm，體積0.5mX0.5mX0.6m。發(fā)射機(jī)由LD泵浦源和N

12、d：YAG MISER激光器組成，LD泵浦源模塊包括兩個(gè)LD陣列，一個(gè)使用一個(gè)備用，每個(gè)陣列有多個(gè)LD，目的是提高發(fā)射機(jī)的使用壽命。如圖6（1）所示是LCT調(diào)制解調(diào)原理圖，種子光經(jīng)相位調(diào)制器將電信號(hào)調(diào)制到光上，經(jīng)光放大器發(fā)射到信道上。接收機(jī)是基于光學(xué)costas鎖相的BPSK零差解調(diào)系統(tǒng)，是靈敏度最高的接收系統(tǒng)。光學(xué)鎖相環(huán)需解決多普勒頻移等因素，使接收信號(hào)與本振同頻，再使用本振和接收信號(hào)光干涉，拍出RF信號(hào)，再經(jīng)濾波得到RF信號(hào)。從原理圖還可以看出這些通信用光信號(hào)的另一個(gè)作用是瞄準(zhǔn)。考慮到GEO-GND實(shí)驗(yàn)距離更遠(yuǎn)，光衰減更大，EDRS項(xiàng)目的LCT終端和LCTSX的LCT終端有些不同，LCT終

13、端總功率160W（光功率2.2W），鏡頭135mm，大小0.6mX0.6mX0.7m。EDRS的GEO-GND鏈路目前先使用RF通信，因?yàn)長CT終端鏡頭大小適應(yīng)LEO，對(duì)于GEO來說太小，后續(xù)將改為激光通信。相比LCTSX，EDRS提高的是通信時(shí)間和實(shí)用性。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：（1）LEO-LEO實(shí)驗(yàn)：TerraSAR-X衛(wèi)星與NFIRE衛(wèi)星；二相相移鍵控/零差相干解調(diào)，調(diào)制方式BPSK，波長1064nm，距離10005100km，速率 5.625Gbps（24個(gè)信道），誤碼率小于10-7。(2)LEO-GND-LEO中繼實(shí)驗(yàn)： 距離1000km，上行誤碼率10-5，下行零誤碼，衛(wèi)星接收后解調(diào)，再

14、調(diào)制發(fā)射，其他數(shù)據(jù)同上。 GEO-LEO實(shí)驗(yàn)（歐洲EDRS項(xiàng)目，2014年）： Sentinel1衛(wèi)星與Alphasat衛(wèi)星。 設(shè)計(jì)距離45000km，調(diào)制方式BPSK，速率1.8Gbps，誤碼率10-8， LCTSX的LCT終端使用PAT(瞄準(zhǔn)，捕獲，跟蹤)建立通信，具體步驟如圖6（2）所示。OPTEL等項(xiàng)目的瞄準(zhǔn)捕獲系統(tǒng)是通過使用與通信波長不同波長的廣角信標(biāo)激光實(shí)現(xiàn)的，與這些項(xiàng)目不同，LCT沒有使用廣角信標(biāo)激光。如圖6（2）所示，衛(wèi)星上有星歷表，先通過星歷表計(jì)算軌道，用以粗瞄準(zhǔn)，然后LCT的通信用激光器進(jìn)行空間捕獲，捕獲成功后再進(jìn)行外差追蹤，對(duì)其頻率捕獲，通過光學(xué)costas鎖相環(huán)進(jìn)行鎖相

15、，使本地振蕩器與信號(hào)光同頻，實(shí)現(xiàn)零差追蹤，最后通過零差解調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通信功能。圖6 （1）LCT的調(diào)制解調(diào)系統(tǒng) （2）PAT系統(tǒng)3.2，其他PSK項(xiàng)目LCRD和OPTEL-u后續(xù)將使用DPSK調(diào)制方式。如圖7所示，從星座圖可以看出，PSK的平衡接收機(jī)靈敏度相對(duì)OOK有3dB優(yōu)勢(shì)，同時(shí)文獻(xiàn)中也提到歸零碼優(yōu)于不歸零碼19。而上面提到過，DPSK相對(duì)BPSK不需要本地振蕩器，也就不需要光鎖相環(huán)等結(jié)構(gòu)，解調(diào)模塊簡單。圖7 OOK和DPSK的星座圖 圖8是DPSK，OOK，PPM的帶寬系數(shù)(圖中橫坐標(biāo)，單位（bit/s）/Hz-1）與需要的信噪比(圖中縱坐標(biāo)，PPB光子每比特)與香農(nóng)極限的比較圖20。DP

16、SK（帶前置放大器）在兼顧PPB和帶寬利用率的時(shí)候性能優(yōu)越，硬判決條件下在3 光子每比特（5dB）時(shí)帶寬利用率達(dá)到了0.5bit/s/Hz，明顯優(yōu)于OOK和PPM。帶寬系數(shù)比較大時(shí)，PPM需要的光子每比特?cái)?shù)較低，性能較好，且?guī)捪禂?shù)越低，PPM的階數(shù)越大性能越好。例如帶寬系數(shù)大于100時(shí)，1024-PPM優(yōu)于256-PPM優(yōu)于4-PPM優(yōu)于2-PPM。M進(jìn)制ppm在功率受限時(shí)也表現(xiàn)良好，且隨著帶寬系數(shù)增加，越來越接近香農(nóng)極限。圖8 OOK,DPSK,PPM性能對(duì)比圖上述使用PPM和OOK的項(xiàng)目速率一般在M級(jí)別，而使用PSK的項(xiàng)目速度能達(dá)到G級(jí)別，結(jié)合上面說到美國LCRD項(xiàng)目的任務(wù)，我們可以初步

17、判斷判斷在近地功率受限小項(xiàng)目以及深空（地月、地火）通信等功率受限信道中適用PPM，而近地（星地、星間）高速通信則適用DPSK。俄羅斯的SLS項(xiàng)目因?yàn)闆]有查到通信方式，所以放到最后講下主要參數(shù)。SLS2122是2012俄羅斯航天部門在國際空間站和北高加索地面站進(jìn)行的激光通信實(shí)驗(yàn)。通信距離為1000km，空間站發(fā)射波長1550nm，光發(fā)射功率6W，測(cè)試傳輸速率3/125/622Mbps,連接時(shí)間小于5min；地面站發(fā)射波長850nm速率3Mbps，連接時(shí)間小于10min。4，其他空間光通信相關(guān)進(jìn)展前文的項(xiàng)目都是星間通信或者星地通信，本節(jié)將簡要介紹星空、空地等鏈路的相關(guān)項(xiàng)目以及國內(nèi)相關(guān)進(jìn)展。4.1，

18、星空 LOLA項(xiàng)目23是法國2006年進(jìn)行的一個(gè)星空通信實(shí)驗(yàn)，由高軌道Artemis衛(wèi)星與某飛機(jī)進(jìn)行激光通信實(shí)驗(yàn)，通信光波長為848nm，功率僅為104mW，上行調(diào)制方式為BPPM(二進(jìn)制PPM), 速率為2Mbps，下行鏈路調(diào)制方式為OOK，速率為50Mbps。飛機(jī)的飛行高度為9km，與Artermis衛(wèi)星的通信距離達(dá)到了40000km。4.2，空地OCD項(xiàng)目是2005年美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的一個(gè)空地激光通信項(xiàng)目，高空飛機(jī)飛行高度1023km，光波長1550nm，功率200mW，調(diào)制方式為OOK，速率達(dá)到了2.5Gpbs。ARGOS是2008年德國DLR航空部門在飛機(jī)與地面站之間進(jìn)行的激光

19、通信實(shí)驗(yàn)，距離為1085km，速率為150Mbps。2013年又進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，飛機(jī)與地面站距離大于50km，飛行速度0.7馬赫，速率達(dá)到了1.25Gbps。4.3，空空Falcon是2011年美國ITT公司進(jìn)行的一個(gè)空空激光通信實(shí)驗(yàn)，兩家飛機(jī)距離94132km進(jìn)行激光通信，光波長1550nm，速率2.5Gbps，誤碼率10-6;4.4，地地2005年德國DLR航空部門在La Palma島嶼和Tene-rife島嶼進(jìn)行了地地激光通信實(shí)驗(yàn)，使用的是BPSK調(diào)制方式，通信距離為142km，速率達(dá)到了5.6Gbps；2006年美國約翰普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室在飛艇和地面車載終端之間進(jìn)行了激光通信實(shí)驗(yàn)，通

20、信距離1.4km，使用波分復(fù)用速度達(dá)到了80Gbps24。2009年某實(shí)驗(yàn)室巴黎兩個(gè)大樓進(jìn)行了激光通信實(shí)驗(yàn)，通信距離212m，速率達(dá)到了1.28Tbps(32路波分復(fù)用X40Gbps)25。4.5，國內(nèi)相關(guān)進(jìn)展國內(nèi)空間激光通信進(jìn)展如圖9所示26。圖9 國內(nèi)空間激光通信進(jìn)展 縮寫：GEO：Geosynchronous orbit，高地球軌道，2000km以上LEO：Low Earth orbit，低地球軌道，2000km以下GND：地面MOPA：主振功率放大器PAT:pointing，acquisition，tracking,瞄準(zhǔn)，捕獲，跟蹤PPB: Photons per bit,光子每比特C

21、CD：Charge-coupled Device，CCD圖像傳感器參考文獻(xiàn)1Matthew E. Grein*, Andrew J. Kerman, Eric A. Dauler. An optical receiver for the Lunar Laser Communication Demonstration based on photon-counting superconducting nanowires. Proc. of SPIE Vol. 9492 949208-1,20152/267/271/Space-Terminal.htm

22、l 3M. L. Stevens, R. R. Parenti, M. M. Willis.The Lunar Laser Communication Demonstration time-of-flight measurement system: overview, on-orbit performance and ranging analysis.Proc. of SPIE Vol. 9739 973908-12,20164Bernard L. Edwards ,Dave Israel. Overview of the Laser Communications Relay Demonstr

23、ation Project. 5Bernard L Edwards, David J Israel, Donald E Whiteman. A Space Based Optical Communications Relay Architecture to Support Future NASA Science and Exploration Missions.Proc. International Conference on Space Optical Systems and Applications (ICSOS) ,2 S6-1, Kobe, Japan, May 7-9 ,20146D

24、. M. Boroson , A. Biswas, B. L. Edwards. MLCD Overview of NASAs Mars Laser Communications Demonstration System.7Zoran Sodnik, Bernhard Furch ,Hanspeter Lutz.Free-Space Laser Communication Activities in Europe: SILEX and beyond. IEEE,0-7803-9556-5/06/$20.00 , 20068T. Tolker-Nielsen,J-C. Guillen. SILE

25、X The First European Optical Communication Terminal in Orbit. EESA bulletin 96 november 19989Dreischer Thomas, Thieme Björn, Bacher Michael. OPTEL- A Compact System for Optical Downlinks from LEO Satellites10Matthew J Abrahamson, Oleg V Sindiy, Bogdan V Oaida.OPALS Mission System Operations Arc

26、hitecture for an Optical Communications Demonstration on the ISS. SpaceOps Conference,201411Bogdan V Oaida, Matthew J Abrahamson, Robert J WitoffOPALS. An Optical Communications Technology Demonstration from the International Space Station. IEEE,978-1-4673-1813-6/13/$31.00 ,201312Jessica N Bowles-Ma

27、rtinez, Baris I Erkmen, Parker A Fagrelius. A COTS-Based Technical Demonstration of Optical Communications13M. W. Wright, M. W. Wilkerson, R. R. Tang. Qualification Testing of Fiber-based Laser Transmitters and on-orbit Validation of a Commercial Laser System.ICSO,201414Takashi Jono, Yoshihisa Takay

28、ama, Nobuhiro Kura. OICETS on-orbit laser communication experiments. In Lasers and Applications in Science and Engineering, pages 610503610503. International Society for Optics and Photonics, 2006.15Ryan W. Kingsbury, Prof. Kerri L. Cahoy. Optical Communications for Small Satellites16Stefan Seel, Ha

29、rtmut Kämpfner, Frank Heine. Space to Ground Bidirectional Optical Communication Link at 5.6 Gbps and EDRS Connectivity Outlook.IEEEAC paper #1111, Version 2, Updated October 27, 201017Mark Gregory, Frank Heine, Hartmut Kämpfner. Commercial optical inter-satellite communication at high data rates.Optical Engineering 51(3), 031202 ,201218M. Gregory, F. Heine, H. Kämpfner1. Tesat Laser Communication Terminal Performance Results on 2.6Gbit Coherent Inter Satellite