空间激光通信技术研究综述

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空间激光通信技术研究综述　

李静　赵树波　（１．中北大学信息与通信工程学院，山西　太原０３００５１；　

２．重庆建设工业（集团）有限责任公司，重庆４０００５４）　

摘要：空问激光通信是目前相对较先进的一种通信技术，相比于传统的微波通信，它具有很多不可比拟的优势。本文首先概述　了研究空间激光通信技术的必要性，接着分析了空间激光通信技术的系统组成、基本原理、关键技术及其优势，然后按照时间　顺序详细地论述了国外空间激光通信技术的发展历史及研究现状，并对我国空间激光通信技术的研究做了简明介绍，最后详　细分析了该技术的应用前景以及发展新动向，并在结论部分给出了当前激光通信技术所达到的最新水平。　关键词：空间激光通信；星际链路：通信模式　中图分类号：ＴＮ　９２９．１２文献标志码：Ａ　

Ｒｅｖｉｅｗｓ　ｏｆ　Ｓｐａｃｅ　Ｌａｓｅｒ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　

Ｌｉ　Ｊｉｎｇ　Ｚｈａｏ　Ｓｈｕｂｏ　（１．Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｎｏｒｔｈ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ，Ｓｈａｎｘｉ，０３００５１　２．Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　Ｊｉａｎｓｈｅ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ，４０４１００）　

０　引言　

人类通信的历史源远流长，从古代的狼烟通信、　

驿站通信，到现代的电报电话通信、无线电通信、光纤　

通信等，不仅仅是通信手段发生了巨变，而且也空前　

地改变了人类的生活方式。今天，科技发展日新月异，　

空中、地面、水下都已经被开辟为广阔的通信空间，采　

用高频激光进行空间卫星通信已成为现代通信技术　

发展的新焦点。有专家测算，在理想的情况下，用激光　

作载体进行空间卫星通信，若话路带宽为４千赫，则　

可容纳１００亿条话路；若彩色电视带宽为１０千赫，　

则可同时传送１００万套节目而互不干扰，届时，人们　

的生活将更加丰富多彩。与此同时，航天、航空、航海　

等都对空间激光通信技术提出了迫切需求。　

１　空间激光通信技术系统组成、关键技术及原理　

空间激光通信也称为无线光通信，它是指利用激　

・８Ｏ・　光束作为载波在空间直接进行语音、数据、图像等信　

息传输的一种技术。空问激光通信系统所涵盖的平台　有深空探测器、ＧＥＯ卫星、ＬＥＯ卫星空间站、临近空　

间平台、航空平台、地面平台、水面平台等，不同平台　

间可构成不同的空间激光通信链路。其突出特点是是　搭载在运动平台上，以激光器作为光源，并以小束散　

角发射，实现高速率、远距离信息传输。例如，星际激　

光通信系统、星地激光通信系统、空空激光通信系统　

等。　

空间通信技术的基本原理实质上就是，信息电信　

号通过调制加载在激光上，通信的两端通过初定位和　调整，再经过光束的捕获、瞄准、跟踪建立起光通信链　

路，然后再通过光在真空或大气信道中传输信息。空　

间激光通信系统按照功能主要分为以下几个部分：　

光源系统、发射和接收系统、信标系统、捕获、瞄准和　

跟踪系统四大块。下面将分别对其进行讨论。　

（１）光源系统　ｄ　一一一一　一一一　ｔ　ｇｎ．１ⅡｅＣ．　～一－耋　州～ｈＯＷⅣ　●ＣＣＣＣ　ｅ啪劬一∞一一ｍⅢｅＳ　ａ　ｍ　Ｘ．ｕ砌Ｏｈ　ａ　“　．Ｈ一一一＿薹～一ｎ（ｔ　ｅ．＾＿一　一Ｃ　Ｓｎ　ａｋａ　Ｕｔ　ｌ　删　一　毗一一一一一～一～一一　一一一～一一～　一　～～一　删～．皇　－三　一一一一一～一～一　～一一一一一～～一～一

　测试工具与解决方案　电子测试　ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ　ＴＥＳＴ　第０—０４期　２０１３年２月　

在卫星激光通信中，通信光源具有十分重要的作　

用，他直接影响天线的增益、探测器件的选择、天线直　

径等参量。常用激光器为波长在８００～８５０　ｎｍ范围　

的ＡＩＧａＡｓ激光器，该波长范围内的ＡＰＤ探测器件工　

作在峰值，量子效率高、增益高。采用倍频Ｎｄ：ＹＡＧ激　

光器或氩离子激光器得到的波长在５１４～５３２ｎｍ的　

激光器是星上激光光源的良好选择。　（２）发射和接收系统　

这是空间激光通信的关键系统之一，激光发射机　

实质上就是光源、调制器和光学天线的级联，而接收　

机则可看成是接收天线和探测器、解调器的级联。调　制的作用是将需要发射的信号调制到光载波上；探　

测、解调是通过光电转换器件将光信号转换为电信　

号。探测部分还包括滤波、放大部分，该部分也是卫星　

光通信系统中必不可少的。　

（３）信标系统　

在空间激光通信系统中，通信信号光束发散角非　

常小，因此如果利用信号光束进行捕获、瞄准将会是　非常困难的过程。所以在其中要单独设立一个激光信　

标系统。信标光束主要是给瞄准、捕获过程提供一个　

较宽的光束，以便在扫描过程中易于探测到信标光　

束，然后进行后面的调整过程。　

（４）捕获、瞄准和跟踪系统　

捕获、瞄准和跟踪系统几乎可以说是整个空间激　

光通信系统的心脏，也是空间激光通信技术的难点、　重点。各个国家在对空间激光通信系统的研究中，都　

提出了一些捕获、瞄准、跟踪方案，并对相当一部分方　

案进行了实验室模拟。这些方案在探测时的扫描方式　

以及探测、跟踪传感器的选择等方面都有所不同，但　

实际采用的捕获、瞄准、跟踪方案是基本一致的。　

２空间激光通信的优势　

空间激光通信是在外层空间进行的通信，由于具　

有损耗小、成本低、容量大、光定向性好等优点，在超　大容量长距离数字通信系统中，尤其适用于星际链路　

问长距离、干线通信。它比地面光缆拥有更高宽带的　

数据、视频和语音转播等多项通信能力。因此，现代卫　

星通信的重要方向就是自由空间中卫星激光通信。　自由空间激光通信是利用激光作为载体，在自由　

空间中进行信息和数据的传输。激光的频率单纯，能　

量高度集中，波束非常细密，波长介于微波与红外线　

之间，因此，利用激光所特有的高强度、高单色性、高　

相干性和高方向性等诸多特性，进行星际间链路通　

信，就可具备容量更大、增益更高、速度更快、抗干扰　性更强和保密性更好的一系列优点，从而使激光成为　

发展空间卫星通信的最理想载体。　

３　国内外空间激光通信历史及现状　

美国是世界上开展空间激光通信研究最早的国　

家，于２０世纪６Ｏ年代中期就开始实施空间激光通信　

方面的研究计划，欧洲和日本也先后于７０年代末和　

８Ｏ年代中期开始研究，到２０世纪８０年代末９０年代　初，日本、美国、欧洲空间总署先后制定了发展卫星间　

激光通信的研究计划，对卫星与地面之间、地球轨道　

同步卫星与近地轨道卫星之间、地球轨道同步卫星之　

问的激光通信技术都进行了深入研究，初步的设计方　

案及模拟演示系统也达到了理想的效果。当时美国率　

先进行的海岛与海岛之间的激光通信，作用距离可达　

到２４０公里；在飞机与地面站的激光通信试验中，当　

飞机位于１ｉ００米高度时，作用距离达到了２０～３０　公里。１９９５年，美国与日本两颗相距３．９万公里的　

卫星实现了互联，并完成了８分钟的激光通信。到现　

在欧美日在空间激光通信技术领域已经取得了相当　

瞩目的成绩。　

１９８５年，欧洲空间局研制了ＳＩＬＥＸ系统，在试　验的基础验证卫星间激光通信的所有技术。系统从　

ＳＰＯＴ一４上的低轨道终端向ＡＲＴＥＭＩＳ上的同步轨道终　

端传输５０Ｍｂ／ｓ的数据。同时在ＡＲＴＥＭＩＳ上还装备有　

一个定位装置，可使其系统上的望远镜（亦即光学天　

线）对准ＳＰＯＴ４后其他任何低轨道高度大于１０００ｋｍ　

的ＬＥＯ空间飞行器，并向ＧＥＯ终端传送２Ｍｂ／ｓ的数据。　

１９８９年，在德国政府支持下，空间固体激光通　信试验（Ｓｏｌｉｄ　Ｓｔａｔｅ　Ｌａｓｅｒ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　ｉｎ　

Ｓｐａｃｅ，ＳＯＬＡＣＯＳ）开始实施，它是一个高码率卫星间　

激光通信计划。该项目建立了完整的计算机仿真系　

统，同时制造了一套用于测试的试验模拟系统，其试　

验模型于１９９７年完成。该终端采用固体激光器和相　

干接收，波长１０６４ｎｍ、发射功率１ｗ的Ｎｄ：ＹＡＧ激光　

器，通信速率可达６５０Ｍｂ／ｓ。ＳＯＬＡＣＯＳ终端发射孔径　１５０ｒａｍ，质量７０ｋｇ。可以用来进行星问激光通信和星　

地激光通信。　

１９９４年，美国ＪＰＬ实验室研制成功ＯＣＤ通信端　

机演示系统，数据率可达２５０Ｍｂ／ｓ，通信波长采用　

８００ｎｍ波段，用ＯＯＫ调制方式。它具有结构简单、质量　轻（１５ｋｇ）、体积小、功耗低等特点。　

１９９５年，在ＮＡＳＡ的资助下，美国Ｂａ］ｌ公司完成　

了ＬＣＤＳ系统（Ｌａｓｅｒ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ　

Ｓｙｓｔｅｍ）。该系统具备１Ｇｂ／ｓ的ＬＥＤ—ＧＥＯ、距离为　

・８１・

　电子测试　

４００００ｋｍ的ＧＥＯ—ＬＥＯ星际通信和ＧＥＯ一航空平台激光　

通信能力，系统重量８４磅（约３７．８ｋｇ），功耗９６Ｗ。　

１９９６年，美国ＴＴ公司首次成功地进行了飞机对　

地面站问的激光通信试验，飞机的飞行高度ｌｌｋｍ，飞　

机距地面站距离２０ｋｍ～３０ｋｍ，传输速率１Ｇｂ／ｓ。　

１９９８年，ＥＳＡ成功研制了光学演示终端ＳＲＯＩＬ　

（Ｓｈｏｒｔ　Ｒａｎｇｅ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｉｎｔｅｒｓａｔｅｌｌｉｔｅ　Ｌｉｎｋ）。　该终端的发射机以半导体激光器泵浦的１０６４ｎｍ波　

长Ｎｄ：ＹＡＧ激光器作为光源，相干体制的接收机采用　

二进制相移键控调制方式和零差探测，通信系统的发　

射天线孔径为３５０ｎｍ，通信码率１．５Ｇｂ／ｓ，误码率低于　

ｌ０—６，总质量为１５ｋｇ，功率为４０ｗ。　

１９９９年，ＴＴ公司还使用Ｔ３９Ａ飞机为搭载　平台进行了飞机一飞机间激光链路通信试验，飞　

行高度约为４００００英尺（约１２１９２ｋｍ），通信距离　

５０ｋｍ～５００ｋｍ，速率１Ｇｂ／ｓ，误码率１０—６。　

２０００年，日本研制了用于国际空间站（ＩＳＳ）　

对地的双向超高速光通信端机ＬＣＤＥ（Ｌａｓｅｒ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ），其上行　

码率为１．２Ｇｂ／ｓ，下行码率为２．５Ｇｂ／ｓ，使用１５５０ｎｍ　

波段作为通信光，功耗小于ｌ　１５Ｗ，质量小于９０ｋｇ。　

同年，ＪＰＬ成功建立了一套高鲁棒ＡＰＴ子系统，　

该子系统在ＯＣＤ基础上进行改进，通信速率２．５Ｇｂ／ｓ，　

通信波长１５５０ｎｍ，发射功率２００ｍＷ。　

也是在这一年，在ＢＭＤＯ资助下，ＴＴ公司研制　ＳＴＶＲ－２卫星通信ＬＣＴ光端机和地面光端机。将ＬＣＴ　

作为ＴＳＸ－５卫星有效载荷之一，２００１年开展星地激　

光通信演示验证。　

２００５年，日本的ＯＩＣＥＴＳ（ＬＥＯ）与ＥＳＡ的ＡＲＴＥＭＩＳ　

卫星（ＧＥ０）成功实现数据传输。　

２００６年１２月，法国国防部采办局（ＤＧＡ）与欧洲　

航空防务与空间公司（ＥＡＤＳ）进行了机载激光链路技　术演示器（ＬＯＬＡ）的演示试验，第一次实现了地球同步　

卫星和飞机之间激光通信。先后开展了近５０余次的　

空一星激光通信试验。通信距离４００００ｋｍ、通信速率　

５０Ｍｂ／ｓ、飞机海拔高度９ｋｍ。　２００８年３月，德国Ｔｅｒｒａ　ＳＡＲ—ｘ卫星与美国　

ＮＦＩＲＥ卫星问实现距离为５０００ｋｍ的星际相干激光通　

信，通信速率５．６５Ｇｂ／ｓ，通信波长为１０６４ｎｍ。使用口　

径为１２５ｍｍ的望远镜，终端质量小于３０ｋｇ，功耗低于　

１３０Ｗ。该终端采用二进制相移键控调制，检测方式是