1、国外空间激光通信系统技术最新进展王晓海中国航天科技集团公司五院五零四研究所空间微波技术国家级重点实验室工程师擒一新世纪的科技发展日新月异,经过多年探索,采用高频激光首先简单介绍了国外激光通信星闻链进行空间卫星通信已于近几年取得突破性进展,如今已经成为路系统的整体发展概况,接着从激光器技现代通信技术发展的新热点.它利用人造地球卫星作为中继站术,捕获,瞄准,跟踪技术,调制,接收技术,转发激光信号,从而实现在多个卫星之间以及卫星与地面设备振动抑制技术四个方面重点探讨了国外激.之间的通信.由于卫星光通信具有诸多优点,所以吸引着各国专竺芸竺量誓:苎家锲而不舍地探索.近几年,美国-K,欧空局(EsA)各成
2、员国 I=K,日本蜊州,荦冒 1Ilr 壬 lIIXrfhalhUmlH 爪要分析了欧,荚,日三大集团各自的实力并补陕白垲.nT工口岫,r且针对我国现状提出了未来发展的建议._等国都对卫星光通信技术极其重视,投入大量的人力物力进行关_illm 关技术的研究和空间光通信实验装置的开发,对卫星光通信一:.系统所涉及的各项关键技术展开了全面深入的研究.兰间激光通信,星闻链路-调制,接收,随着遥感器分辨率的不断提高,对传输速率的要求也越来“越高 ,因此应用传统的微波数据传输方式难度很大.在这种情况Abstract:Thispaperfirstlyintroduces_下,倘若改用激光通信传输 ,则可以
3、比较容易地满足这一要求.generaldevelopingsituationoflaser 一当然,事物都有两面性,由于激光通信的波束很窄(一般为几十communicationintersatellitelinksystem.微弧度),对两个都处于运动中的通信系统来说,激光束的捕获,broa“吐 h?ndieuseme 吼跟踪和瞄准都具有较大的挑战性,是急待攻关解决的难题.communicationsystemabroademphatically 一.国外激光通倍星间链路系统整体发展from 幻 w 聃 .体m.lyd:A 捌 I 况(acquire.point.track).roodulat
4、ing“.receiving,vibrationsuppression.Atlast,it 未来的空间通信网络既包括轨道间链路(IOL),又包括星间brieflyanalysesthe-respectivecapacityofthe 链路(ISL).通常所说的“星间链路“是 IOL和 ISL 的总称.目前three-,Europe,uand.Japan.,国际上所开展的有关星间链路的研究主要是指 IOL.IOL 是指由gardigthe:squ.ofour.utry.地球低轨(LEo)到地球同步轨道(GEo)间的链路; 而 ISL 是指占据相同轨道的既可以是 LEO 也可以是 GEO 的卫星间
5、的链路.星间链路一般被认为是多波束卫星的一种特殊波束,该波束并不指向地球而是指向其他卫星.卫星网络互联本身就含有卫星之间的互联以及卫星与地面站之间的互联两层含义.今天,在卫星光通信领域已取得突破性进展成功地实现了卫星一地面,卫星一卫星之间的光通信试验.1.欧洲欧洲空间激光通信的发展基于欧洲各国的合作,ESA 在卫星激光通信的研究方面也投入了大量资金,先后研制了以不同星间链路为背景的一系列卫星激光通信终端,如SILEX 和 SOUT.SILEX 系统的一个终端安装于 ESA的中继卫星 ARTEMIS,另一个终端安装于法国地球观测卫星 SPOT 一 4.2001 年 11 月 21 日顺利建立了激
6、光通信链路,实现了 50Mbit/s 速率的激光通信试验.这是世界上进行的首次星间激光链路试验,是卫星激光通信领域一项里程碑式的进展.2.日本尽管日本开展卫星激光通信的研究较晚,但是进展却很快.日本已于 1995 年利用安装于 ETSVI卫星上的激光通信终端成功地与地面站进行了激光通信试验,尽管此次试验的速率仅为 1.04Mbit/s,但这是世界上首次成功进行的星地激光通信试验.日本空间发展局(NASDA)研制的 LCE 激光通信试验系统于 1996 年与美国 NASA 的喷气推进实验室(JPl)的地面站进行了双向激光通信试验,NASDA还研制了专门的激光通信试验卫星 OICETS,计划与欧空
7、局的 ARTEMIS 之间进行激光通信实验.3.美国美国是世界上开展空间光通信研究最早的国家之一,研究工作经过了地面演示验证,关键技术研究以间站,飞行器等.目前,国际上已完成了空间激光通信链路的概念研究,关键技术和核心部件均已解决,已实现了低轨卫星对同步卫星的低,中码速率激光通信试验并进行了低轨卫星对地面站的激光通信试验.这些通信试验系统达到了高捕获概率,短捕获时间,抗多种干扰的高灵敏度动态跟瞄和较高的数据传输速率,同时研制了激光链路系统评估测试平台及分析,仿真软件.表 l 是国外激光通信系统研究的概况.国外已完成和正在进行研究的几个激光通信系统的性能参数概况如表 2 所示.随着空间激光通信关
8、键技术的解决以及空间激光通信技术与系统的日趋完善,系统实验已经全面进入星载实验阶段,空间激光通信的应用范围越来越大,卫星工程技术研究也进一步深化.目前,空间激光通信的主要发展趋势是:?从原理性实验系统向建立工程实用的系统转化;-发展更高传输速率系统;?向小型化及轻量化发展;?实现星间组网.试验过程,已经实施了多个国刑研究机构系统名称有关卫星激光通信的研究计美国 BMDOSTRV 一 2l划,并投入大量资金研制了美国 LincolnLab/MIT10Gbit/s 高速调制及量子接收多个卫星激光通信实验终 C02 激光和光泵浦的 Nd:YAG 激光空间通信系统,激光通信演示端,如 NASA 支持的
9、 LCDS,美国字航局系统 LCDS,光通信演示系统 OCD,空对地演示系统,大气能见度;检测计划MIT 林肯实验室的 LITE 系姜国 LincolnNASANASA-ACCS 通信卫星演示系统,SIR-C,TDRSS,DOD.TOPSAT 系统 ig 统,JPL 已研制成的 2X600 笙囝 JPL 高能(3.5W)Nd:YAG 激光通信设备,激光通信验证设备Mbit/s 卫星激光通信终端,美堇国美国空军(AirForce)LITE国军方 BMDO 建立了低轨卫美国国防部激光通信系统 (LCS)星一地面站激光链路终端,NASDALUCE,计划实现 GEO-LEO.GEOGEO(ILC)数据
10、速率为1Gbit/s,并在积极进行小卫星星座中激光星“邮政省通信研究实验室 LCE 初步实现地面站一GE0 的通信 间链路终端的研制.ESA 实现 GEOLL0 的 SILEX 系统,激光通信技术和光学地面站(OGS)4.俄罗斯皇家空军 DMA 研究所 LEO 数据中继网络的实现i俄罗斯在星问激光通信加萃太 MPA 技术公司用于星际连接的半导体高传输速率外差系统l方面也取得了较好的成果,法国欧洲航天署空间通信天线设计俄罗斯的星问激光数据传输意大利 FIAR.7-极管泵浦的 Nd:YAG 激光器相关探测技术l系统(ILDTS)已用于载人空德国 RGKT 二极管泵浦的 Nd:YAG 激光器的空间光
11、通信试验装置表 2 国外激光通信系统主要性能参数概况系统名称 SILEXLCESOTTSOLACOSSROILBLISL国别欧洲(ESA)日本欧洲(ESA)德国欧洲(ESA) 以一德应用范围 GEO-LEO 星一地 GEO-GEOLEO-LEOLEO 星座小卫星搭载卫星 ARTEHISSP0T4ETSVI120mW 激光输出功率 18.3mWLD(2W)Nd:YAG(1W)Nd:YAG0.52W1.2W调制方式 IM/DDIM/DDIM/DDIH/外差 BPSKIH/oD波长(nm)797 85383085010641550波长稳定度(nm)0.3码速率(MbiUs)501.024100065
12、012001000误码率(BER)1O_610_610_9焦距(mm)500星上天线直径(mm)2507520015040120信号光宽度(rad)1O 163050信标光宽度(rad)75060500通信距离(km)4500060008000质量(kg)22.950751515功耗(W)16O90100754025=.国外激光通僵系统具体关键技术最新进展激光通信系统构成大致可分为以下几个部分:激光器,探测器,高速调制和解调,高速电系统单元,高精度的捕获,瞄准,跟踪(A)技术,高质量的光系统和天线,高稳定性的机械结构等.下面对激光器技术,AFl“技术,调制与接收技术 ,振动抑制技术目前的发展情
13、况予以简单的介绍.1.激光器技术该技术用于建立激光链路的光源,一直是激光通信的关键技术之一,由于受到光传输介质及探测器的影响,对激光波长的研究主要集中在 8OOnm,1000nm 及 1550nm 三个波段,除去激光通信第一代的气体激光器,其后用于星上的激光器研究主要集中在与以上三种波长对应的半导体激光器,固体激光器和光纤激光器.(1)半导体激光器半导体激光器是以半导体材料作为激光工作物质的激光器.它的优点在于超小的外形体积,极高的转换效率,结构简单等.在已进行的星间,星一地试验中几乎都采用半导体激光器.但半导体激光器与别的激光器相比较,也存在一些缺点,比如发射光功率较小,波长稳定性差,线宽较
14、宽,调制速度较低等.而在这些缺点当中,发射功率小是它最大的缺点.在实际的应用中,例如SILEX 系统中,信标光使用了19 只半导体激光器,STRV 一 2系统不管是信标还是信号都使用了多只激光器,而这样的复合却叉会带来别的问题.针对发射功率限制,一种被称为主控振荡功率放大(MOPA)的半导体器件被采用.根据所公布资料中 MOPA 的参数可以看出,半导体激光器功率小的问题已获得初步解决,只要MOPA 的功率环境能满足空间环境的要求,半导体激光器会被更广泛地应用于星间和星地激光链接.(2)固体激光器固体激光器因其体积大,转换效率低并未被星上应用看好,而其由于具有波长稳定性好,发射功率可以做得很大等
15、优点,所以受到重视.特别是 Nd:YAG 固体激光器,比较适合于空间应用.Nd:YAG 激光器优异的性能使其可采用各种调制方式,虽然 1064nm 的波长落在 APD 的高增益区外,但基于 PSK 调制,直接采用光零差解调的检测方式,可使探测器灵敏度大幅提高,几乎等于量子极限,约为 9 光子/bit.据资料报道,Nd:YAG 激光器在保证性能的情况下,已通过各种空间环境试验,满足空间飞行条件.长期以来,Nd:YAG 激光器的电光转换效率低是它的一个突出缺点,现在这一情况已经部分得到改善,通过采用性能比较好的半导体激光二极管作为泵浦光源,可以提高 Nd:YAG 激光器的电光转换效率.(3)光纤激
16、光器到目前为止,光纤通信技术已经是一项非常成;II?嘧 I:lI 奎誓擎.0|i 未:|叁矗熟的技术,不管是体积,转换效率,光束质量,发射功率,谱线宽度,波长稳定性还是调制速率,都可以通过对陆上已有的器件经过比较简单的技术加工而使其满足星上应用.目前,低噪前置光纤放大器由于能够满足接收端对灵敏度的要求而得到应用.目前光纤激光器用于星上最大的问题是空间光到光纤的耦合问题.耦合问题包括耦合效率问题和耦合头的污染问题.目前已有 1550nm 的星问激光通信系统正在研究,如果耦合效率问题和耦合头的污染问题能很好地得到解决,并且光纤激光器及光纤前置放大器均能满足空间环境要求的话,那么采用 1550nm
17、的光纤进行无线高速星间,星地通信系统的链路建立应该没有多大问题.2.APT 技术所有的星问,星地激光通信系统都将 APT 技术列为关键技术之一,在茫茫太空,以 rad 量级的发散角度,在两个相对高速运动的终端之间建立通信链路,能正确地捕获,瞄准,跟踪是进行通信的前提.APT 技术在理论上没有多大问题,但由于 APT 系统所采用的传感器不同造成了 APT 系统之问的差异 .早期的及已有飞行记录的激光通信系统,基本上都采用 800am 的光波段建立链路,其捕获,跟踪都采用对该波段比较敏感的 CCD 或四象限作为传感器.随着 l064am 和 1550am 波段的广泛研究应用 ,与该波段相匹配的 A
18、PT 技术和元器件研究受到重视 .捕获阶段由于对视场角的要求,只能采用大视场的CCD 或四象限作为传感器,跟踪过程由于和通信联系更为紧密而出现了与通信波段,调制方式及放大策略密切相关的方法.3.调制,接收技术激光链路的调制与接收技术集中反映了通信系统的情况.调制方式大致分为调幅,调频,调相,与之对应的接收方式是直接强度探测(DD)和相干(外差)探测 .在激光通信中,调频调制方式在组成系统的复杂性和灵敏度方面都没有优势,目前不被采用.直接强度探测,即非相干探测,具有结构简单,成本低,易实现等优点.相干(外差)探测具有接收灵敏度高,抗干扰能力强等优点,但系统较为复杂,对元器件性能要求较高,特别是对
19、波长的稳定性和谱线宽点,一般采用直接光强度调制(IM)/直接强度探测的方式,现在这一波段的调制速率单信道不超过1Gbit/s.除了系统简单外,这一波段的另一个优点是能够采用对光有内置放大作用的 APD 探?贝 4 器 .在 1550nm 波段,更多地继承了陆地上光纤通信系统的特点,一般也采用幅度调制和解调的方式,但它的幅度调制是基于相位的幅度调制外加功率放大的方法,而接收端则一般采用光纤前置放大加强度探测的接收技术,对于该波段单信道调制速率40Gbit/s 已经是几年前的报道.相干探测技术在激光通信中发展较晚也比较缓慢,主要原因是实际应用中光纤通信更为适合.光纤通信中采用比较简单的幅度调制即可
20、获得极高的传输速率,而传输距离和功率问题通过简单的中继光纤放大器即可解决,这些优点抑制了相干探测技术的发展.相干探测技术的发展是一个渐进的过程,先是外差和差分探测,最后的目标是零差探测.相干探测通常可比非相干直接探测在灵敏度上高约102OdB.但受限于激光器发射功率,频率稳定度及线宽,1064am 和 1550am 两个波段是相干探测技术可选的工作频段.4.振动抑制技术振动抑制是困扰卫星光通信的一个重要问题,从开环捕获,闭环跟踪到光通信中的各个环节,该问题都成为影响系统性能的重要因素.最早提出的抑制措施主要集中在结构方面,采用对结构的被动控制和主动控制来抑制振动.被动控制是通过优化结构设计,依靠结构本身的阻尼消耗振动能量;主动控制是将外部的能量输入受控系统,与系统本身能量相互抵消来实现振动抑制.
