近年國外空間激光通信進展

新聞 07-11

原標題：近年國外空間激光通信進展

來源 | 深夜空間局LASA

作者 | LASA鵬

空間激光通信（SpaceLaser Communication）是指利用激光束作為載波在空間直接進行語音、數據、圖像信息雙向傳送的一種技術，又稱為「自由空間激光通信」（Free Space Optical Communication）。隨著空間技術及感測技術，如高分相機、合成孔徑雷達等技術的發展，衛星及各種航天器所需的信息傳輸量呈指數級增長，目前衛星通信所採用的微波通信為主的通信手段已難以滿足通信容量需求。空間激光通信技術具有傳輸速率快，通信容量大、抗干擾能力強、安全保密性高、系統終端體積小/質量輕/功耗低等優勢，成為未來空間鏈路的發展方向，引發各航天強國的研究熱潮。

截至2018年7月，中國已經先後發射了3顆光學實驗衛星，分別是海洋二號衛星（2011年8月16日發射）、墨子號量子科學實驗衛星（2016年8月16日發射）和實踐十三號衛星（2017年4月12日發射）。歐洲、美國、日本等均在空間激光通信技術領域投入巨資進行相關技術研究和在軌試驗，對空間激光通信系統所涉及的各項關鍵技術展開了全面深入地研究，不斷推動空間激光通信技術邁向工程實用化。本篇重點介紹國外近年來空間激光通信的最新進展。

歐洲重點推進
激光通信系統商業化運營

歐空局（ESA）早期實施的「半導體激光星間鏈路試驗」（SILEX）等項目，首次驗證了低地球軌道（LEO）至地球同步軌道（GEO）的星間通信。2008年底，歐空局決定在其「歐洲數據中繼系統」（EDRS）中應用激光通信終端，以促進空間激光通信系統的研發和實施達到成熟階段，通過2顆地球靜止軌道（GEO）數據中繼衛星（EDRS-A和EDRS-C）為低軌道（LEO）的航天器與地面控制中心進行實時數據中繼，構建「太空數據高速路」（Space Data Highway），並以商業模式運營。「歐洲數據中繼系統」取得了一系列突破性進展，成為世界上首個商業化運營的高速率空間激光通信系統。

EDRS星座結構圖示意圖

激光數據通道由Space DataHighway在慕尼黑的任務操作中心控制，7?24小時運維服務。激光通信終端由Tesat-Spacecom和DLRGerman Space Administration開發。操作人員接收客戶的數據傳輸請求，制定衛星和地面設備的操作程序，並監控通信性能。

搭載「歐洲數據中繼系統」首個激光通信中繼載荷EDRS-A的Eutelsat 9B衛星於2016年1月29日成功發射，可提供激光和Ka波段兩種雙向星間鏈路，星間激光傳輸速率可達到1.8 Gbps，星間最遠距離達到45000 km，並於2016年7月進入業務運行階段。EDRS-A載荷實現在軌服務是近年來歐洲航天技術快速發展的一個重要里程碑，第2顆衛星EDRS-C預計於2018年發射。

據ViaSatellite消息，在投入日常運營服務的近兩年時間裡，EDRS-A衛星已成功完成萬次激光傳輸連接，可靠性達99.8%，傳輸數據已達500TB，目前Space DataHighway每天可傳輸40TB遙感衛星、無人機和飛機的數據。根據ViaSatellite的數據可以推算，在近兩年時間裡使用EDRS-A衛星激光鏈路的累計時間約為77.2小時，即3.2天。

2017年3月7日，EDRS的用戶歐盟「哥白尼計劃」的「哨兵2B」衛星成功發射，該衛星用於地球觀測領域的數據圖像採集，回傳採用X波段和激光載荷，其中激光載荷通過EDRS-A中繼系統將圖像傳至地面。據ViaSatellite報道，除現在已經使用EDRS服務的哥白尼計劃外，未來將應用於其他更多客戶終端，例如：2019年該系統將服務於國際空間站的哥倫布模塊，2020年 Pleiades Neo衛星（Airbus的高解析度光學遙感衛星，達到30cm解析度）將使用這項服務。

歐空局計劃在2020年擴展成為全球覆蓋系統，形成以激光數據中繼衛星與載荷為骨幹的天基信息網，實現衛星、空中平台觀測數據的近實時傳輸，未來EDRS的主要市場將是無人機編隊的通信服務。EDRS不僅將滿足歐洲航天活動對空間數據傳輸速率、傳輸量和實時性日益增長的需求，更將使歐洲擺脫對非歐洲地面站的依賴，保持空間通信的戰略獨立性。

美國加速發展
空間激光通信技術

美國早期所開展的激光通信演示系統（OCD）以及轉型衛星通信系統（TSAT）等項目，為其積累了大量技術經驗。而近年來，美國國家航空航天局（NASA）更是積極推進空間激光通信項目的發展，加速空間激光通信技術的研發與驗證，為未來空間海量數據的傳輸尋求解決方案。近兩年，美國在空間激光通信技術領域具有5個方面的進展。

1、光通信與感測器演示項目成功發射1.5U衛星

2017年11月，NASA研製的兩個創新型1.5U立方體衛星在美國沃洛普斯飛行試驗場成功發射。這兩個立方體衛星是為NASA的第二個「光通信與感測器演示（OCSD）」任務而發，此次任務主要驗證未來小型衛星的數據高速光傳輸與小衛星間的近距離操作能力。

OCSD上的激光通信系統與其他空間激光通信系統不同，該激光器安裝在航天器上，光速的指向需要依靠控制整個航空器的方向來進行，這使得該激光系統比以往任何太空中飛行的系統都要更為緊湊。最為關鍵的是，它無需捕獲、指向與跟蹤（APT）系統，僅靠衛星自身的姿態控制實現對準，因此飛行器的姿態控制是其關鍵能力之一。OCSD項目曾於2015年發射立方體衛星，但因衛星姿態控制系統問題，未能完成星上激光通信載荷的測試。此次發射的兩顆衛星，吸取了2015年任務失敗的經驗。

OCSD-2（1.5U）衛星工作示意圖

2、激光通信中繼驗證（LCRD）項目進入集成與測試工作階段

2017年2月NASA的LCRD項目成功通過關鍵設計審議，並已於2018年開始進行開發集成與測試階段，正為2019年新一階段的項目啟動（原計劃最早於2017 年啟動）積極準備。早在2013年，作為即將進行的「激光通信中繼演示」的先期預演，NASA成功驗證了從月球進行高速數據傳輸的激光通信試驗（LLCD），創下622 Mbps 的下載速率紀錄。

LCRD將驗證激光與射頻通信的數據中繼能力，接收地面站的光束信號，然後系統將信號中繼到另一個遠距離地面站。其他計劃中的試驗項目還包括：測試可供位於不同地點的多個用戶使用的數據多路傳輸技術；類似於數字視頻錄像機的存儲/前傳能力，將視頻類信息加以存儲並以較低數據率進行中繼；測試所有不同天氣條件和時間下的激光通信性能，並學習如何充分利用其優點。MIT林肯實驗室將為此次試驗提供光學系統模塊。

LCRD衛星在軌示意圖

3、推進深空光通信（DSOC）項目終端達到6級技術成熟度

2017年NASA發文稱，其DSOC項目正在開發關鍵技術，並使其達到技術成熟度（TRL）6級。TRL6級意味著它已經是一個功能完整的系統原型或具有代表性的模型。

由噴氣推進實驗室（JRL）主導的深空光通信（DSOC）系統項目計劃於2023年啟動，它是NASA太空探索任務的一部分。DSOC項目旨在研究激光通信對於深空任務中，數據速率、系統空間佔用和功耗等指標能力改進。任務中飛船將飛向金星，進行的激光通信測試距離要比LCRD項目遠得多。DSOC項目將提供一個深空光收發器和地面數據系統，項目開發的重要技術包括：輕型航天器擾動隔離和指向組件、高效率的飛行激光發射機以及一對用于飛行光學收發器和地面接收器的高效光子計數探測器陣列。這些技術將集成到DSOC飛行激光收發器（FLT）和地面接收器中。

按照計劃，DSOC項目將在2017年年底達到技術成熟度6級，2018-2019年進行地面測試，2023年搭載「普賽克」（Psyche）飛行器向一顆金屬小行星進發，進而對深空激光通信技術進行驗證。

DSOC在軌示意圖

4、啟動宇宙飛船激光通信系統項目

2017年4月NASA啟動一項計劃，旨在為其執行深空任務的下一代「獵戶座」（Orion）宇宙飛船研發激光通信系統。被稱為「激光增強型任務與導航服務」（LEMNOS）的系統，將為宇航員提供最優的快速通信服務，使其與地面取得快速通信。

NASA認為激光通信將徹底改變低地球軌道外飛船的數據回傳手段，將外層空間通信範圍進一步拓展。LEMNOS將支持每秒至少80兆位元組的數據率。LEMNOS項目目前剛剛啟動，將在2021年Orion飛船飛躍月球期間進行首次測試，若任務進展順利，NASA將在後續任務中部署更多的激光通信終端，從而支持飛船的空間探索任務。

「獵戶座」宇宙飛船

5、開展「一體化射頻與光學通信」項目

IROC衛星在軌示意圖

NASA格倫研究中心團隊正在開展「一體化射頻與光學通信」（IROC）概念研究，計劃向火星軌道發送一顆激光通信中繼衛星，用於接收遠距離航天器的數據並將數據中繼至地球。「一體化射頻與光學通信」系統將使用射頻和激光集成通信系統，既可為使用激光通信系統的新型航天器提供服務，也可為使用射頻通信系統的傳統航天器提供服務，將有效促進NASA所有空間資產間的互操作性。

日本致力於
激光通信終端小型化研究

日本主要採取國際合作的方式進行空間激光通信技術研究，早期開展的「地面軌道間激光通信演示驗證」（GOLD）等項目取得了巨大的成功，實現了世界首次低軌衛星與地面站及移動光學地面站之間的激光通信試驗。近年來，為保持空間激光通信技術方面的優勢，日本向激光通信終端小型化、輕量化、低功耗方向發展。

特別是通過「空間光通信研究先進技術衛星」計劃（SOCRATES），於2014年5月24日將「小型光學通信終端」搭載低軌小衛星SOCRATES發射入軌，驗證了適用於50千克級小衛星的「小型光學通信終端」（SOTA）的對地激光通信業務。SOTA終端的總質量僅為5.8千克，最遠通信距離達1000千米，下行通信速率10兆比特/秒，可構建全球光通信網路，使得飛機、衛星收集的高解析度圖像數據可通過空間激光通信鏈路下傳至地面站。

近兩年，日本在空間激光通信領域雖沒有顯著的成果，但是繼續推進該國新版《宇宙基本計劃》中所列的「激光數據中繼衛星」計劃，全面開展衛星正樣產品的研製工作。衛星採用三菱電機公司的DS-2000平台，通信波長1064納米，採用DPSK相干調製解調模式，LEO終端重量35千克，光學孔徑100毫米，GEO終端重量50千克，光學孔徑200毫米，平均功耗100W，預設通信速率達2.5吉比特/秒。預計「激光數據中繼衛星」（GEO）將於2019年發射，實現數據中繼系統由微波鏈路替換為激光鏈路，從而促進先進光學衛星等新一代高解析度對地觀測衛星之間的通信，屆時日本將獲得更高速的實時觀測能力。