太空激光通信：解决空间通信发展瓶颈

开发利用太空资源，需要建立空间通信，激光空间通信能够为此提供满意服务。

卫星（包括各种航天器）之间、卫星与地面站之间可以采用微波通信，但受微波载波频率的限制（约10 GHz），数据传输速率约为150 Mb／s，虽然基本能够满足图像信息传输需要，但不能满足合成孔径雷达数据的实时传输，因此需要发展更高码率传输通信技术，激光通信是发展潜力最大的新型通信技术，其相对于微波通信的明显优势为：带宽大数据传输率高、天线尺寸小、抗干扰保密性好。空间激光通信能以1%的微波天线面积获得10～100倍的数据传输，预期空间激光通信能实现高达每秒数百吉比特的传输速率，能满足空间组网的要求。研究表明，运用激光通信，可以在不到5 min的时间内完成月球探测器的数据下载，未来的探测器可以不用携带太大的信息存储设备，完成观测后即将数据及时传回地球。

（一）卫星间通信系统

星间激光通信终端通常由两大基本系统组成，即激光通信系统和光学跟瞄系统，前者用于两个卫星间的信息传输，后者用于它们之间的瞄准、捕获和跟踪。整个光学系统也分为主镜望远镜和光学平台两大部分，光学平台安装光通信和光跟瞄部件。

1．激光通信系统

它常采用两种通信方式：非相干光直接探测通信方式和相干光外差接收通信方式。非相干光直接探测通信方式也就是发射端采用脉冲激光强度调制，接收终端采用光电探测器进行光脉冲信号直接探测。相干光通信的接收原理是采用本机振荡激光与对方信号激光在光电探测器进行外差，目前采用的是零差相干光通信技术，即本振信号频率与信号频率相同。

光脉冲直接探测方式具有结构简单、技术成熟的优点，但是光接收灵敏度比较低。相干光外差接收技术可以自然抑制背景噪声，提高信噪比，从而得到每比特需要的光功率比非相干通信低约一个量级的光接收灵敏度，这对于实现远距离或高码率数据传输是极有利的。例如，通信速率为每秒数吉比特、传输距离达到几万千米远时，采用非相干光通信对于光源的光功率要求就无法满足，因此商业化应用的高码率激光通信终端宜采用相干光通信的方式。

2．跟瞄系统

跟瞄系统的主要作用是进行目标瞄准、捕获和跟踪（PAT），另外一个重要作用是克服卫星平台本身存在的扰动，保持跟踪状态，从而保证激光链路不受外界环境的干扰。在卫星光通信系统中，进行数据传输之前首先必须使发送机发射的光信号确实到达对方接收机的探测器上，这意味着除了需要克服传输通道上的各种效应之外，还必须使发射的光场准确地对准接收机。同样，接收机探测器也必须按照发射光场的到达角进行调整。使发射机瞄准适当方向的过程称为瞄准，确定发射光束到达方向的过程称为捕获，接下来在整个通信期间保持瞄准和捕获的操作称为跟踪。

跟瞄系统一般由3部分光电机械系统组成，即粗跟瞄系统、精跟瞄系统和提前量光机系统。粗跟瞄系统主要是完成终端大角度范围的运动和入射信号光束的粗跟瞄，采用闭环控制。精跟瞄系统主要是捕获和精密跟踪入射光束，采用闭环控制。粗跟瞄和精跟瞄采用复合轴机理结合，以实现大扫描范围高精度跟踪。提前量光机系统用于补偿卫星相对运动产生的光束延时偏离，属于开环控制。上述3个基本机构是否全部或部分采用，视具体任务要求和卫星平台环境条件而定。

光束经过很长距离传输后，在某一具体方向上对准的不确定性由几个基本的因素引起，其中一个主要的因素是不能精确地确定所期望的方向。参照系的误差导致视线方向的不确定性，对准只能在基本坐标系建立的精度内进行。通常坐标系是根据某一已知的恒星或其他天体定位的，在这种情况下，对参照系的运动采取补偿措施是非常重要的。一般来说，这种运动并不是精确已知的。除了实际参考轴的运动，还常常存在一种表观运动（如地球从其轨道的一边移动到另一边而导致的恒星视差移动），参照系的误差直接转化为对准过程中视线方向的误差。

对准误差的第二个主要来源是由实际对准仪器的误差引起的。通常，望远镜或透镜系统通过电子或机械连接由远程传感器操作进行对准，应力、噪声、安装结构等因素在这一机械系统中造成的误差将使光束不能精确地对准，这种误差称为瞄准误差。

第三个误差来源是不能够精确地补偿发射机和接收机的运动，只要两者之间有一个是运动的就会出现这种情况，或者它也可以由地球的转动或定点卫星的往复运动引起。当用系统动力学方程预言这种运动时，系数的误差直接导致对准误差。此外，通过相移或多普勒频率跟踪对位置和速度的实际测量，也会引入误差（内在的误差）。

在处理包含大气的空间通信传输链路时，地球表面的大气层是引起对准误差的第四个原因。除引起光信号能量损耗（吸收）和散射外，由于湍流、云和热梯度引起的光束漂移和扩展，也严重地影响对准精度。光束漂移是指光束在传输过程中偏离预定的路径，显然这将直接影响对准；光束扩展使光束发散角增加，从而导致接收到的光功率减少，这与对准偏差具有相同的效果。由于大气层只向上延伸几百千米，对于地球上的发射机它表现为近场效应，而对于从高空卫星向地球发送的光束则表现为远场效应。因此，光束漂移和发散对地面发射的影响要比地面接收更为严重。对于从地面上发射的光束，即使是由晴朗的大气层所引起的轻微角度偏移，在经过长距离传输到达一个位于深层空间的卫星上时也将产生很大的距离偏差。向上传送链路的光束漂移角度的典型值为±1～±15 rad，对于大的温度梯度可达50 rad。向下传送的链路光束通过大气层后表现出相对较小的光束角偏移，其主要大气层效应是对光功率的吸收。在没有大气层（例如卫星到卫星链路）的情况下，对准的不精确性可以大大降低。

（二）星地激光通信

信息社会的发展需要一个传输数据率高、存储容量大、覆盖面积广的通信体系支撑，未来世界的通信体系将是一个天上卫星光网和地面光纤光网连接在一起的空地激光通信体系，如图1-26所示，而连接太空卫星网和地面光纤网的关键环节，也是技术难度最大的环节便是星地激光通信，即地面和空间卫星之间的通信。

图1-26　空地激光通信体系

1．星地激光通信特点(www.zuozong.com)

星地激光通信具有空间光通信的所有特点，但与一般空间光通信相比，由于其通信双方位置的特殊性，又有一些独特之处，主要有：

1）信道复杂

星地激光通信中的信号必须穿越整个大气信道，由于大气信道的复杂性，其信号质量必将受到诸多随机因素的影响，尤其是约20 km的稠密大气层，激光信号在其中传输时必将遭受到大气吸收、大气散射、大气湍流扰动等的复合影响，在传输过程中会出现强度衰减、抖动、偏移和相位起伏等现象，通信质量因此而变得不稳定。尤其在恶劣天气里，如大雨、雪、雾天气，对光信号的衰减十分厉害，可能会发生通信无法正常进行的情况。

2）通信距离超长

星地激光通信距离基本上在103～104km数量级，这对于普通的通信方式是很难想象的。超长传输距离会使通信性能受到强光学损耗、光束发散以及众多背景噪声等问题的影响。

3）卫星高速运动

通信的一方是卫星，除地球同步卫星以外，卫星对地面站均存在相对运动，会对星地激光通信带来特殊的影响，如地面接收信号对准、信号频率多普勒效应展宽等。

2．关键技术

基于星地激光通信的特性，影响其通信质量有几个主要因素，或者说有几方面关键技术。

1）合适的激光器

为了减少信号长距离传输的损耗、扩散等问题，通信系统中使用的激光器应该是能够输出合适波长和激光功率的激光器。合适的激光波长是在大气信道中大气吸收的“低损耗窗口”，即波长在0．8，1．06，1．55，10．6μm中选择。由于超长的传输距离，在星地激光通信中从发射端到接收端，光信号一般受到达9个数量级的衰减，因此使用的激光功率需要达到一定数值，一般需要达到几十毫瓦以上。目前使用的激光器主要是分布式反馈（DFB）半导体激光器、1 550 nm量子阱激光器等。

2）合适的天线

在星地激光通信中，光学天线的作用主要是在发送端压缩光束的发散角，在接收端增大接收面积，以减小光束的发散损耗。星地激光通信系统中合适的天线是：接收增益高，光学损耗低；结构简单，便于设计；可靠性高。因为星地激光通信系统中的一方是太空中的卫星站，天线工作的可靠性直接关系到卫星的工作寿命。目前在星地激光通信中最常用的天线是卡塞格伦天线。

3）快速、精确的瞄准、捕获、跟踪系统

星地激光通信的信号光束窄、发散角小，实现微弧度量级的动态跟踪，建立可靠的通信链路，是星地激光通信的关键问题之一。目前普遍使用的方法就是瞄准、捕获、跟踪子系统。

4）窄带光学滤波器

大气信道中存在着众多背景噪声光源，如太阳光、星体发光等，而且由于光电检测器一般的光学响应波长范围比较宽，因此需要选择带通型的光学滤波器对背景光噪声进行进一步抑制。此外，通常PAT子系统需要使用大发散角的信标光源（其发光比信号光的发散角大一个数量级以上），信标光信号的空间传播损耗很大，因此接收端接收到的信标信号十分微弱，易被淹没在背景光噪声中。所以，对PAT子系统来说也需要使用超窄带光学滤波器。目前可用于激光通信的光学滤波器基本类型有吸收滤波器、干涉滤波器和原子共振滤波器等。