|1.2 空间激光通信国内外发展现状|
近年来,国际上以Starlink、OneWeb等为代表,国内以“鸿雁”“行云”等星座计划为代表的低轨(Low Earth Orbit,LEO)卫星通信星座迅猛发展,其具有可覆盖全球及低时延等突出特点,与地面网络争夺互联网入口。欧洲、美国、日本等国家和地区的卫星数据中继系统的规模化使用,促使高轨卫星通信系统快速发展,利用高轨卫星良好的覆盖能力,能有效实现全球区域数据中继和回传。各类卫星通信网络计划和星座实施,带动了卫星高速数据通信技术的快速发展。
欧洲、美国、日本以及中国等国家和地区在卫星激光通信领域已成功完成多项高/低轨在轨技术验证,并进入规模化建设和应用阶段。
1.2.1 欧洲
1977年,欧洲航天局布局了第一个空间高速数据激光链路技术方向的研究合同,评估用于空间的调制器。这标志着欧洲航天局开始了长期和持续地对空间激光通信的投入。1985年,欧洲航天局提出了雄心勃勃的半导体激光星间链路试验计划,即SILEX计划,用于在轨演示星间激光通信的可行性,如图1-1所示。
图1-1 SILEX计划通信中的Artemis和SPOT-4卫星
正是SILEX计划的执行,使得欧洲航天局在激光星间链路方向处于世界领先地位。2001年7月12日,Artemis卫星随Ariane-5在法国发射升空,但在发射过程中发生了故障。2001年11月21日,采用二进制振幅键控(OOK)通信调制方式,实现了国际上首次高轨卫星和低轨卫星间的激光通信,通信波长800 nm,通信速率50 Mbit/s,通信数据为信道测试数据,通信误码率(BER)小于1×10−9。安装在Artemis 卫星上的激光终端作为主动端扫描其不确定区域,实现对 SPOT-4卫星的信标光覆盖。SPOT-4卫星收到信标光信号后将自身的通信光快速精确地指向Artemis卫星,实现两个卫星的建链。2001年11月30日,由SPOT-4卫星采集的图像首次通过激光链路传输给Artemis卫星,再由Artemis卫星通过微波馈电链路传输给地面。
SILEX激光通信终端的粗跟踪机构为L臂的形式,精跟踪采用两镜电磁驱动快反镜(FSM),超前快反采用两镜压电驱动快反镜,实现高带宽和高精度的跟踪,如图1-2和图1-3所示。激光终端口径25 cm,总质量150 kg,活动部件质量70 kg,功耗130 W。
图1-2 安装在Artemis卫星上的OPALE激光通信终端
图1-3 正在集成的激光通信终端
为了尽早实现国际上首次星间激光通信在轨验证,2001年11月15日,欧洲航天局利用位于西班牙的光学地面站(如图1-4所示)第一次实现了对Artemis卫星发射信标光,27 s后光学地面站完成了对卫星信号光的跟踪。
图1-4 位于西班牙的光学地面站
1993年,日本航天局和欧洲航天局签署了开展星间激光通信试验验证的协议。日本的激光通信终端安装在OICETS卫星上,终端命名为LUCE。1994年完成了初步终端设计。2003年9月,日本航天局将LUCE终端运到西班牙光学地面站开展了与Artemis卫星之间的建链试验,验证了两者系统参数和捕获跟踪流程的正确性和匹配性。2005年8月23日,搭载LUCE终端的OICETS卫星发射升空,进入预定的太阳同步轨道,轨道高度为610 km。2005年12月9日,开展了与Artemis卫星的第一次星间激光通信试验。与SPOT-4卫星不同,LUCE终端可以同时接收和发射通信数据,因此这是世界上首次星间双向激光通信链路的在轨演示验证。该激光终端的口径为26 cm,发射光束束腰直径为13 cm,激光功率为100 mW,质量为170 kg。
为了验证卫星与飞机之间的激光通信链路,Artemis卫星开展了与法国飞机之间的激光通信试验。这次飞行试验命名为LOLA计划,飞机飞行高度为6 000~10 000 m,链路距离接近40 000 km,激光发射功率为300 mW。该试验的难点在于受到飞机动平台和大气湍流信道的影响。飞机平台的姿态扰动是卫星平台的10倍以上,飞机周围由于受到气流的影响需要考虑气动光学和大气湍流信道的双重影响。2006年12月18日,LOLA计划实现了飞机在飞行速度为500 km/h时与Artemis卫星的双向实时激光通信试验。安装在飞机上的激光通信终端如图1-5所示。
图1-5 安装在飞机上的激光通信终端
SILEX计划成功地完成星间、星地、星机之间的多次激光通信试验,积累了许多宝贵的经验,在轨验证了激光星间链路的可行性。SILEX计划成功后,人们逐渐将关注点从可行性转向可用性方面。可用性方面最重要的是提升通信速率,缩小体积和降低功耗。相干激光通信技术可以极大地提升接收机的灵敏度,实现功耗的降低和体积的缩小。
2007年4月23日,安装有相干激光通信终端的美国NFIRE卫星发射升空。2007年6月15日,德国的TerraSAR-X卫星成功发射,该卫星上安装了德国Tesat公司的激光通信终端。激光通信终端采用了BPSK调制/相干通信体制,收发望远镜口径12.5 cm,质量35 kg,功耗125 W,尺寸约为500 mm×500 mm×600 mm,通信速率达到了5.625 Gbit/s,通信波长为1 064 nm,最大跟踪角速度4°/s,视场10 mrad,如图1-6所示。2008年2月21日,两颗卫星间实现了第一次低轨卫星间的星间相干激光通信试验。
图1-6 激光通信终端及其主要组成单元
随着相干激光通信终端在轨试验的成功,欧洲航天局启动了高轨卫星激光通信验证项目,激光终端安装在Alphasat卫星上,是4个技术验证载荷之一。数据速率可达2.8 Gbit/s,用户速率1.8 Gbit/s,链路距离大于45 000 km,误码率小于1×10−8,发射光功率2.2 W,望远镜口径135 mm,质量54 kg,功耗160 W,尺寸为0.6 mm×0.6 mm×0.7 mm。相比第一代激光通信终端,第二代激光通信终端的主要改进点有:选用立轴光学天线,光放大器的功率增加到5 W,接收机在1.8 Gbit/s的用户速率下进行了优化设计。电子学针对高轨应用环境开展了15年连续服务的寿命设计,热控系统进行了改进,机械结构进行了相应的放大,如图1-7所示。
图1-7 安装在Alphasat上的第二代激光通信终端
2013年,Alphasat 激光通信终端准确指向西班牙光学地面站,证明了激光终端具备36 000 km精确指向能力。经过两轮在轨试验验证后,欧洲航天局正式启动了欧洲数据中继系统(European Data Relay System,EDRS)计划。该计划将低轨卫星的大容量数据通过激光星间链路传递给中继卫星,然后再通过微波链路下传给地面用户,共包括EDRS-A和EDRS-C两颗高轨卫星,在2024年前后将会增加一颗EDRS-D中继卫星,用于进一步增加覆盖区域。
2016年,EDRS-A卫星发射成功,定轨在东经9°,并于同年4月完成与地面站的通信测试;5月26日成功实现了与Sentinel-1A卫星的激光连接。第一次将Sentinel-1A卫星的图像通过激光传递给EDRS-A卫星。
2019年,EDRS-C卫星发射成功,定轨在东经31°。作为空中客车公司空间数据高速公路(Space Data Highway,SDH)星座网络的第二个节点,EDRS-C卫星在2019年7月15日顺利完成了各项调试测试,并与哥白尼计划的哨兵地球观测卫星建立了激光通信链路。
EDRS-D卫星作为欧洲数据中继系统计划的一个全球节点,将提供亚洲和太平洋地区上空用户的服务。卫星上安装3个下一代激光通信终端,每个终端可以兼容1 550 nm和1 064 nm两个通信波段,同时安装一个1 550 nm的试验终端。
欧洲航天局还开展了Tbit/s空间激光通信技术的研究(图1-8),并在2016年进行了地面10 km距离的通信试验,实现了1.72 Tbit/s的通信速率。
图1-8 DLR 10 km距离Tbit/s自由空间通信实验
1.2.2 美国
美国卫星光通信研究开展得较早,20世纪70年代即开始了相关研究。由于美国初期的星地光通信研究往往由政府主导,保密性较高。随着欧洲和日本卫星光通信研究的成功,越来越多的商业公司开始进入卫星光通信市场,美国卫星光通信的研究也变得开放起来。
Thermo Trex公司为美国进行光通信研究。Thermo Trex公司首次将法拉第反常色散光学滤波器(Faraday Anomalous Dispersion Optical Filter,FADOF)引入瞄准、捕获和跟踪(Pointing,Acquisition and Tracking,PAT)系统中,FADOF的带宽可以窄到0.01 nm,对本底光噪声有很强的抑制作用。实验表明,FADOF可以在大视场角(Field of View,FOV)下取得较高的信噪比,从而实现对目标的快速捕捉和锁定。
激光通信演示(Optical Communication Demonstration,OCD)系统由美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)支持的喷气动力实验室研制,其研制目的是实现在实验室环境下验证自由空间激光通信中的精密光束瞄准、高带宽跟踪和信标光捕获等关键技术。如图1-9所示,该演示系统采用单个快反镜和单个焦平面相机实现瞄准、捕获和跟踪等多项功能,大大简化了终端设计。虽然OCD 系统并没有实用化,但是其设计思路为后来很多喷气动力实验室的研究提供了借鉴。
图1-9 OCD系统PAT结构设计图
20世纪80年代末到90年代初,美国弹道导弹防御组织(Ballistic Missile Defense Organization,BMDO)开始支持空间技术研究卫星 STRV-2。该研究的目的在于演示LEO卫星TSX-5与地面站间的上行和下行激光通信,验证卫星与地面间的Gbit/s速率通信是否可行。STRV-2的设计采用直接调制半导体激光发射和雪崩光电二极管接收。跟瞄装置采用二极管激光(852 nm波长)作为信标光,CCD成像器接收,铯原子线滤波器用作本底光抑制。整个通信终端电子设备质量为14.5 kg,设计通信链路长度最大为2 000 km。
STRV-2实验系统(图1-10)采用了极化复用通信技术来提高通信速率,其设计通信速率为卫星到地面500 Mbit/s×2和地面到卫星155 Mbit/s×2。在天线设计方面,发射端和接收端相互分离,TSX-5卫星上终端天线直径为1.6 cm(发射)和13.7 cm(接收),地面站上天线直径为30.5 cm(发射)和40.6 cm(接收)。同时为了减轻大气闪烁的影响,STRV-2系统采用了多个发射孔径,其中星上终端4路,地面终端12路。2000年6月7日,激光终端随TSX-5试验卫星发射升空,该激光终端质量为14.29 kg,体积小于1立方英尺(约为0.028立方米),功耗为75 W,通信速率可以达到1 Gbit/s,星地通信距离最远可以达到2 000 km,地面仰角大于15°。但由于星上终端问题,未能实现对地面站上行信标光的捕获和跟踪,最终由于星历精度和卫星的姿态控制误差超出预期,STRV-2星地激光链路实验宣告失败。
图1-10 STRV-2卫星激光通信收发终端
2001年5月18日,美国国家侦察局(National Reconnaissance Office,NRO)的同步轨道轻量技术试验GEOLITE卫星成功发射并进入预定轨道。GEOLITE卫星携带了一个试验用的激光通信端机和一个工程用的超高频(UHF)通信设备,以进行激光通信试验和宽带通信试验。麻省理工学院的林肯实验室负责激光通信端机的设计。NRO对外宣布本次卫星试验非常成功,实现了激光通信链路,但未见进一步的详细报道。
2013年10月的月球激光通信演示(Lunar Laser Communication Demonstration, LLCD)计划实现了月球轨道与多个地面基站40万千米距离的双向通信,月地最大下行和上行速率分别达到622 Mbit/s和20 Mbit/s。该计划包括一个飞行激光终端和3个光学地面站,成功实现了下行40~622 Mbit/s,上行10~20 Mbit/s的通信试验。3个光学地面站分别位于白沙(White Sands,NM)、桌山(NASA JPL's Table Mountain,CA)、欧洲航天局西班牙特纳利夫岛。2017年11月,NASA创新型1.5 U立方体卫星的“激光通信与传感器演示”(Optical Communication and Sensor Demonstration,OCSD)项目对未来小型卫星的高速率激光数据传输技术进行了验证,星地链路下行速率达到2.5 Gbit/s。
在 LLCD 项目成果的基础上,为实现太空高速互联网,NASA 启动了激光通信中继演示验证(LCRD)计划,如图1-11所示。LCRD重点验证这种技术的运行寿命和可靠性,还将测试 LCRD 在多种不同环境条件和运行情境下的能力。通过使用 LCRD, NASA 将有机会在不同气象条件下,以及一天中不同时间点测试激光通信的性能,以获得数据积累。
图1-11 激光通信中继演示验证计划
除了完成上述试验外,该项目还为国际空间站设计激光通信终端,旨在使用LCRD以Gbit/s 级的数据速率从国际空间站向地面中继数据,希望一旦通过测试,NASA 许多其他在轨任务也运行这种终端,从而通过LCRD向地面中继数据。LCRD将运行2~5年。配备激光调制解调器的两个地面终端位于桌山和夏威夷,将验证与LCRD之间的双向通信能力;LCRD将部署于地球同步轨道,其轨位处于这两个地面站点之间,如图1-12所示。
图1-12 LCRD与两个地面站试验方案
LCRD 拥有两个光学模块。光学模块与调制解调器、电子控制器共同组成 LCRD的飞行有效载荷。LCRD有效载荷包含两个相同的光学终端,这两个终端由被称为“空间切换单元”的组件连接;“空间切换单元”可用作数据路由器,还可以连接到射频下行链路。调制解调器将数字数据转化为激光或射频信号,并进行逆向转化,安装在STPSat-6卫星上的两个LCRD激光终端如图1-13所示。一旦将数据转化为激光,LCRD光学模块将把激光携载的数据传送至地球。为此,光学模块必须能够精确指向,以接收和传输数据。电子控制器模块可通过指挥执行器,帮助调节望远镜的指向并使其保持稳定,不受任何航天器移动和振动的影响。
图1-13 安装在STPSat-6卫星上的两个LCRD激光终端
LCRD激光终端在2021年发射升空,该终端的组成和信息流如图1-14所示,其通信速率可以达到2.880 Gbit/s(DPSK)、622 Mbit/s(PPM),激光终端的通信波长为1 550 nm,望远镜口径108 mm,发射光功率0.5 W,功耗130 W,质量60 kg。
LCRD的第一个太空用户是NASA的集成LCRD近地轨道用户调制解调器和放大器终端(ILLUMA-T),如图1-15所示,该终端接收来自空间站上的实验和仪器的高质量科学数据,然后以1.2 Gbit/s的速率将这些数据传输到LCRD。LCRD会以相同的速率将其传送到地面站。
图1-14 LCRD激光终端组成和信息流
图1-15 安装在国际空间站JEM-EF空间的激光终端
2014年4月,激光通信科学光学载荷(OPALS)随SpaceX的“龙”飞船发射升空。如图1-16所示。该载荷被NASA安装在国际空间站的舱外,与JPL的桌山的光学地面站进行通信,采用4个上行的信标光抑制大气湍流的影响。在晴天和暗背景条件下,空间站激光终端很容易捕获到地面上行信标光,白天跟瞄是个巨大的挑战。每天国际空间站18次经过地面站,其中9次在白天经过,9次在晚上经过。2014年6月5日,OPALS在晚上第一次实现与地面站的通信,持续时间为148 s,重复发送了3.5 s的视频;7月发送了1969年Apollo 11登月视频,用时7 s。
图1-16 国际空间站对地通信试验
为解决低轨卫星大容量数据下传的问题,NASA提出拟开展超高速突发大容量激光数据下行试验,即太字节红外传输(TeraByte InfraRed Delivery,TBIRD)。该计划最大通信速率达到200 Gbit/s,可以实现单个地面站每天50 TB数据的下传,大幅缩减对激光骨干网的带宽需求。如图1-17所示,Tbird激光终端最大的特点是采用光纤通信的货架100 Gbit/s光收发产品,终端的体积为2 U,质量小于2.25 kg,安装在6 U的立方星上。初始的验证工作地面站采用NASA现有的带自适应光学的地面站,后期计划研制低成本的光学地面接收站,可以放置在用户的数据存储中心,避免浪费地面光纤宽带通信资源。
图1-17 Tbird 激光终端:包括发射、捕获和可见光3个通道
1.2.3 日本
日本开始进行星地光通信研究的时间较美国要晚一些,但是日本的研究进展迅速,并于1995年与美国喷气动力实验室一起实现了世界上首次星地光通信链路,从而证明了星地光通信是可行的。激光终端搭载的卫星平台是日本的ETS-VI卫星,于1994年8月28日发射。该卫星与JPL的光学地面站开展了地面―轨道飞行器间激光通信演示(Ground/Orbiter Lasercomm Demonstration,GOLD)试验。如图1-18所示,GOLD试验采用1个0.6 m和1个1.2 m望远镜,其中0.6 m望远镜用于1.024 Mbit/s上行信号光发射,调制方式为曼彻斯特伪随机码。激光通信终端的望远镜口径为75 mm,具备光束瞄准、捕获和跟踪能力,实现方式为单反射镜。下行发射光波长为830 nm,上行接收光波长为514.5 nm,采用硅基雪崩光电二极管(APD)作为通信接收器件。
图1-18 GOLD试验
日本航天局(JAXA)从1992年开始了名为OICETS的概念设计和可行性试验卫星计划,包括LUCE在内的初步设计在1994年完成。LUCE的工程样机集成后开展了热真空、电磁兼容性等环境适应性试验,随后研制的正样件也经过了相应的环境试验。2003年9月,Artemis卫星和日本的LUCE激光终端在西班牙借助光学地面站实现了光学捕获跟踪和通信测试,验证了接口和流程的适配性。 OICETS卫星于2005年8月发射升空,轨道类型为太阳同步轨道,轨道高度为610 km,轨道倾角为97.8°。2005年12月,JAXA成功实现了世界上首次OICETS与Artemis卫星的星间双向激光通信试验,上行速率50 Mbit/s,下行速率2 Mbit/s,如图1-19所示。
图1-19 试验示意
为了验证星地激光通信的可用性,JAXA在2006年开展了 KODEN计划,旨在通过多个地面站降低大气湍流和天气的影响。整个试验分为5个阶段进行,前3个阶段分别在3月、5月、9月进行。这是首次低轨卫星对地激光通信试验。第一阶段采用多光束发射技术降低大气湍流强度起伏;第二阶段因为天气原因没有成功;第三阶段测试了上行和下行的通信误码率;第四阶段采用新的快反镜测试星地下行的单模光纤耦合效率,测试激光光束的大气传播特性,并且测试LDPC纠错码对上行链路性能的改善作用;第五阶段开展多个地面站联合通信的试验,成功和美国 JPL、欧洲航天局西班牙及德国宇航中心、日本 NICT 的4个光学地面站开展了联合通信试验,如图1-20所示。
图1-20 OICETS星地多站联合试验
NICT光学地面站试验时段一般安排在1∶00—2∶00,一共开展了57次建链通信试验,其中建链成功次数为28次,由于雨和云造成建链失败的次数为26次,操作失误3次。在4站联合试验时的各站成功概率见表1-1。
表1-1 4站联合星地通信试验结果
假设4个光学地面站是不相关的,多站联合建链概率可以表示为
根据式(1-1)计算的4站联合成功概率为0.990 3。因此通过多站联合提升星地链路可用度是可行的。
日本还开展了小型光学应答机(Small Optical Transponder,SOTA)的研制。该激光终端于2014年5月24日随SOCRACTES卫星发射升空,轨道高度628 km,轨道倾角97.69°,主要发射目的为在轨验证捕获、通信编译码等。SOTA 的主要技术参数见表1-2,光学头如图1-21所示。
表1-2 SOTA主要技术参数
图1-21 SOTA激光终端光学头
1.2.4 中国
中国对空间激光通信的研究开始于20世纪90年代,以电子科技大学和中国科学院上海光学精密机械研究所(中科院上海光机所)为主要代表,着眼于自由空间激光通信技术攻关。21世纪,哈尔滨工程大学、长春理工大学、中科院上海光机所、中国航天科技集团公司五院西安分院等开始了卫星激光通信工程整机研制,并先后开展了多次激光通信的在轨试验。
2011年8月16日,中国首颗海洋动力环境监测卫星“海洋二号”在轨交付使用。在轨运行期间,搭载在“海洋二号”上的星地激光通信终端,成功进行了中国首次星地激光通信链路数据传输试验,成为中国卫星通信技术发展史上的一个重要里程碑。
2011年10月25日,我国成功进行了星地激光链路捕获跟踪试验,实现了中国首次高精度高稳定的双向快速捕获和全链路稳定跟踪。2011年11月10日,中国首次星地激光通信链路数据传输试验获得成功,上行数据传输速率为20 Mbit/s。2011年11 月24日,星地激光高速数据传输试验成功,下行数据传输速率达到504 Mbit/s,通信体制为强度调制/直接探测。
2007年,中科院上海光机所刘立人研究员在国内首次提出了空间相干激光通信的概念,旨在解决星间远距离和高码率对激光终端带来的巨大挑战,并在科技部项目的支持下,开始对我国相干激光通信核心器件——光学桥接器的攻关工作,在2009年实现了我国首次1 064 nm波长的BPSK调制、零差相干探测通信体制的全光学贯通,开启了我国空间相干激光通信研究的序幕。
2016年,中科院上海光机所在量子科学实验卫星上实现了我国首次星地相干激光通信,采用相干通信体制。其下行数据传输速率达到5.12 Gbit/s,采用BPSK/DPSK两种通信体制兼容方案,通信波长1 550 nm;上行通信速率为20 Mbit/s,通信体制为16PPM,通信波长为20 Mbit/s,采用4孔径平滑大气湍流的影响。
墨子号科学实验卫星及相干激光通信机光机主体如图1-22所示。
图1-22 墨子号科学实验卫星及相干激光通信机光机主体
2017年4月12日,实践十三号卫星发射入轨。在近4万千米远的卫星与地面站之间,成功实现光束信号的快速锁定和稳定跟踪,且传输速率高、通信质量好,最高数据传输速率达5 Gbit/s,通信体制采用波分强度调制/直接探测方案。
2018年8月25日,北斗三号工程M11/M12卫星发射升空,每颗卫星上安装了1个激光通信测量一体化终端。随后在M17/M18、M19/M20、M21/M22等多颗中轨卫星上均安装了激光通信终端,在IGSO卫星上也安装了激光通信终端,成功实现了中国第一次星间激光通信在轨通信测量试验。激光通信终端的工作波长为1 550 nm,数据传输速率最高为1 Gbit/s,测量精度小于5 mm。
2019年12月27日,实践二十号卫星成功发射。实践二十号卫星搭载了中国首套高速高阶相干激光通信终端。2020年内首次在轨验证了QPSK相干体制的激光通信,数据传输速率高达10 Gbit/s。