|1.2 空間激光通信國內外發展現狀|

近年來，國際上以Starlink、OneWeb等為代表，國內以“鴻雁”“行云”等星座計劃為代表的低軌（Low Earth Orbit,LEO）衛星通信星座迅猛發展，其具有可覆蓋全球及低時延等突出特點，與地面網絡爭奪互聯網入口。歐洲、美國、日本等國家和地區的衛星數據中繼系統的規模化使用，促使高軌衛星通信系統快速發展，利用高軌衛星良好的覆蓋能力，能有效實現全球區域數據中繼和回傳。各類衛星通信網絡計劃和星座實施，帶動了衛星高速數據通信技術的快速發展。

歐洲、美國、日本以及中國等國家和地區在衛星激光通信領域已成功完成多項高/低軌在軌技術驗證，并進入規模化建設和應用階段。

1.2.1 歐洲

1977年，歐洲航天局布局了第一個空間高速數據激光鏈路技術方向的研究合同，評估用于空間的調制器。這標志著歐洲航天局開始了長期和持續地對空間激光通信的投入。1985年，歐洲航天局提出了雄心勃勃的半導體激光星間鏈路試驗計劃，即SILEX計劃，用于在軌演示星間激光通信的可行性，如圖1-1所示。

正是SILEX計劃的執行，使得歐洲航天局在激光星間鏈路方向處于世界領先地位。2001年7月12日，Artemis衛星隨Ariane-5在法國發射升空，但在發射過程中發生了故障。2001年11月21日，采用二進制振幅鍵控（OOK）通信調制方式，實現了國際上首次高軌衛星和低軌衛星間的激光通信，通信波長800 nm，通信速率50 Mbit/s，通信數據為信道測試數據，通信誤碼率（BER）小于1×10?9。安裝在Artemis 衛星上的激光終端作為主動端掃描其不確定區域，實現對 SPOT-4衛星的信標光覆蓋。SPOT-4衛星收到信標光信號后將自身的通信光快速精確地指向Artemis衛星，實現兩個衛星的建鏈。2001年11月30日，由SPOT-4衛星采集的圖像首次通過激光鏈路傳輸給Artemis衛星，再由Artemis衛星通過微波饋電鏈路傳輸給地面。

SILEX激光通信終端的粗跟蹤機構為L臂的形式，精跟蹤采用兩鏡電磁驅動快反鏡（FSM），超前快反采用兩鏡壓電驅動快反鏡，實現高帶寬和高精度的跟蹤，如圖1-2和圖1-3所示。激光終端口徑25 cm，總質量150 kg，活動部件質量70 kg，功耗130 W。

為了盡早實現國際上首次星間激光通信在軌驗證，2001年11月15日，歐洲航天局利用位于西班牙的光學地面站（如圖1-4所示）第一次實現了對Artemis衛星發射信標光，27 s后光學地面站完成了對衛星信號光的跟蹤。

1993年，日本航天局和歐洲航天局簽署了開展星間激光通信試驗驗證的協議。日本的激光通信終端安裝在OICETS衛星上，終端命名為LUCE。1994年完成了初步終端設計。2003年9月，日本航天局將LUCE終端運到西班牙光學地面站開展了與Artemis衛星之間的建鏈試驗，驗證了兩者系統參數和捕獲跟蹤流程的正確性和匹配性。2005年8月23日，搭載LUCE終端的OICETS衛星發射升空，進入預定的太陽同步軌道，軌道高度為610 km。2005年12月9日，開展了與Artemis衛星的第一次星間激光通信試驗。與SPOT-4衛星不同，LUCE終端可以同時接收和發射通信數據，因此這是世界上首次星間雙向激光通信鏈路的在軌演示驗證。該激光終端的口徑為26 cm，發射光束束腰直徑為13 cm，激光功率為100 mW，質量為170 kg。

為了驗證衛星與飛機之間的激光通信鏈路，Artemis衛星開展了與法國飛機之間的激光通信試驗。這次飛行試驗命名為LOLA計劃，飛機飛行高度為6 000～10 000 m，鏈路距離接近40 000 km，激光發射功率為300 mW。該試驗的難點在于受到飛機動平臺和大氣湍流信道的影響。飛機平臺的姿態擾動是衛星平臺的10倍以上，飛機周圍由于受到氣流的影響需要考慮氣動光學和大氣湍流信道的雙重影響。2006年12月18日，LOLA計劃實現了飛機在飛行速度為500 km/h時與Artemis衛星的雙向實時激光通信試驗。安裝在飛機上的激光通信終端如圖1-5所示。

SILEX計劃成功地完成星間、星地、星機之間的多次激光通信試驗，積累了許多寶貴的經驗，在軌驗證了激光星間鏈路的可行性。SILEX計劃成功后，人們逐漸將關注點從可行性轉向可用性方面。可用性方面最重要的是提升通信速率，縮小體積和降低功耗。相干激光通信技術可以極大地提升接收機的靈敏度，實現功耗的降低和體積的縮小。

2007年4月23日，安裝有相干激光通信終端的美國NFIRE衛星發射升空。2007年6月15日，德國的TerraSAR-X衛星成功發射，該衛星上安裝了德國Tesat公司的激光通信終端。激光通信終端采用了BPSK調制/相干通信體制，收發望遠鏡口徑12.5 cm，質量35 kg，功耗125 W，尺寸約為500 mm×500 mm×600 mm，通信速率達到了5.625 Gbit/s，通信波長為1 064 nm，最大跟蹤角速度4°/s，視場10 mrad，如圖1-6所示。2008年2月21日，兩顆衛星間實現了第一次低軌衛星間的星間相干激光通信試驗。

隨著相干激光通信終端在軌試驗的成功，歐洲航天局啟動了高軌衛星激光通信驗證項目，激光終端安裝在Alphasat衛星上，是4個技術驗證載荷之一。數據速率可達2.8 Gbit/s，用戶速率1.8 Gbit/s，鏈路距離大于45 000 km，誤碼率小于1×10?8，發射光功率2.2 W，望遠鏡口徑135 mm，質量54 kg，功耗160 W，尺寸為0.6 mm×0.6 mm×0.7 mm。相比第一代激光通信終端，第二代激光通信終端的主要改進點有：選用立軸光學天線，光放大器的功率增加到5 W，接收機在1.8 Gbit/s的用戶速率下進行了優化設計。電子學針對高軌應用環境開展了15年連續服務的壽命設計，熱控系統進行了改進，機械結構進行了相應的放大，如圖1-7所示。

2013年，Alphasat 激光通信終端準確指向西班牙光學地面站，證明了激光終端具備36 000 km精確指向能力。經過兩輪在軌試驗驗證后，歐洲航天局正式啟動了歐洲數據中繼系統（European Data Relay System,EDRS）計劃。該計劃將低軌衛星的大容量數據通過激光星間鏈路傳遞給中繼衛星，然后再通過微波鏈路下傳給地面用戶，共包括EDRS-A和EDRS-C兩顆高軌衛星，在2024年前后將會增加一顆EDRS-D中繼衛星，用于進一步增加覆蓋區域。

2016年，EDRS-A衛星發射成功，定軌在東經9°，并于同年4月完成與地面站的通信測試；5月26日成功實現了與Sentinel-1A衛星的激光連接。第一次將Sentinel-1A衛星的圖像通過激光傳遞給EDRS-A衛星。

2019年，EDRS-C衛星發射成功，定軌在東經31°。作為空中客車公司空間數據高速公路（Space Data Highway,SDH）星座網絡的第二個節點，EDRS-C衛星在2019年7月15日順利完成了各項調試測試，并與哥白尼計劃的哨兵地球觀測衛星建立了激光通信鏈路。

EDRS-D衛星作為歐洲數據中繼系統計劃的一個全球節點，將提供亞洲和太平洋地區上空用戶的服務。衛星上安裝3個下一代激光通信終端，每個終端可以兼容1 550 nm和1 064 nm兩個通信波段，同時安裝一個1 550 nm的試驗終端。

歐洲航天局還開展了Tbit/s空間激光通信技術的研究（圖1-8），并在2016年進行了地面10 km距離的通信試驗，實現了1.72 Tbit/s的通信速率。

1.2.2 美國

美國衛星光通信研究開展得較早，20世紀70年代即開始了相關研究。由于美國初期的星地光通信研究往往由政府主導，保密性較高。隨著歐洲和日本衛星光通信研究的成功，越來越多的商業公司開始進入衛星光通信市場，美國衛星光通信的研究也變得開放起來。

Thermo Trex公司為美國進行光通信研究。Thermo Trex公司首次將法拉第反常色散光學濾波器（Faraday Anomalous Dispersion Optical Filter,FADOF）引入瞄準、捕獲和跟蹤（Pointing,Acquisition and Tracking,PAT）系統中，FADOF的帶寬可以窄到0.01 nm，對本底光噪聲有很強的抑制作用。實驗表明，FADOF可以在大視場角（Field of View,FOV）下取得較高的信噪比，從而實現對目標的快速捕捉和鎖定。

激光通信演示（Optical Communication Demonstration,OCD）系統由美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration,NASA）支持的噴氣動力實驗室研制，其研制目的是實現在實驗室環境下驗證自由空間激光通信中的精密光束瞄準、高帶寬跟蹤和信標光捕獲等關鍵技術。如圖1-9所示，該演示系統采用單個快反鏡和單個焦平面相機實現瞄準、捕獲和跟蹤等多項功能，大大簡化了終端設計。雖然OCD 系統并沒有實用化，但是其設計思路為后來很多噴氣動力實驗室的研究提供了借鑒。

20世紀80年代末到90年代初，美國彈道導彈防御組織（Ballistic Missile Defense Organization,BMDO）開始支持空間技術研究衛星 STRV-2。該研究的目的在于演示LEO衛星TSX-5與地面站間的上行和下行激光通信，驗證衛星與地面間的Gbit/s速率通信是否可行。STRV-2的設計采用直接調制半導體激光發射和雪崩光電二極管接收。跟瞄裝置采用二極管激光（852 nm波長）作為信標光，CCD成像器接收，銫原子線濾波器用作本底光抑制。整個通信終端電子設備質量為14.5 kg，設計通信鏈路長度最大為2 000 km。

STRV-2實驗系統（圖1-10）采用了極化復用通信技術來提高通信速率，其設計通信速率為衛星到地面500 Mbit/s×2和地面到衛星155 Mbit/s×2。在天線設計方面，發射端和接收端相互分離，TSX-5衛星上終端天線直徑為1.6 cm（發射）和13.7 cm（接收），地面站上天線直徑為30.5 cm（發射）和40.6 cm（接收）。同時為了減輕大氣閃爍的影響，STRV-2系統采用了多個發射孔徑，其中星上終端4路，地面終端12路。2000年6月7日，激光終端隨TSX-5試驗衛星發射升空，該激光終端質量為14.29 kg，體積小于1立方英尺（約為0.028立方米），功耗為75 W，通信速率可以達到1 Gbit/s，星地通信距離最遠可以達到2 000 km，地面仰角大于15°。但由于星上終端問題，未能實現對地面站上行信標光的捕獲和跟蹤，最終由于星歷精度和衛星的姿態控制誤差超出預期，STRV-2星地激光鏈路實驗宣告失敗。

2001年5月18日，美國國家偵察局（National Reconnaissance Office,NRO）的同步軌道輕量技術試驗GEOLITE衛星成功發射并進入預定軌道。GEOLITE衛星攜帶了一個試驗用的激光通信端機和一個工程用的超高頻（UHF）通信設備，以進行激光通信試驗和寬帶通信試驗。麻省理工學院的林肯實驗室負責激光通信端機的設計。NRO對外宣布本次衛星試驗非常成功，實現了激光通信鏈路，但未見進一步的詳細報道。

2013年10月的月球激光通信演示（Lunar Laser Communication Demonstration, LLCD）計劃實現了月球軌道與多個地面基站40萬千米距離的雙向通信，月地最大下行和上行速率分別達到622 Mbit/s和20 Mbit/s。該計劃包括一個飛行激光終端和3個光學地面站，成功實現了下行40～622 Mbit/s，上行10～20 Mbit/s的通信試驗。3個光學地面站分別位于白沙（White Sands,NM）、桌山（NASA JPL's Table Mountain,CA）、歐洲航天局西班牙特納利夫島。2017年11月，NASA創新型1.5 U立方體衛星的“激光通信與傳感器演示”（Optical Communication and Sensor Demonstration,OCSD）項目對未來小型衛星的高速率激光數據傳輸技術進行了驗證，星地鏈路下行速率達到2.5 Gbit/s。

在 LLCD 項目成果的基礎上，為實現太空高速互聯網，NASA 啟動了激光通信中繼演示驗證（LCRD）計劃，如圖1-11所示。LCRD重點驗證這種技術的運行壽命和可靠性，還將測試 LCRD 在多種不同環境條件和運行情境下的能力。通過使用 LCRD, NASA 將有機會在不同氣象條件下，以及一天中不同時間點測試激光通信的性能，以獲得數據積累。

除了完成上述試驗外，該項目還為國際空間站設計激光通信終端，旨在使用LCRD以Gbit/s 級的數據速率從國際空間站向地面中繼數據，希望一旦通過測試，NASA 許多其他在軌任務也運行這種終端，從而通過LCRD向地面中繼數據。LCRD將運行2～5年。配備激光調制解調器的兩個地面終端位于桌山和夏威夷，將驗證與LCRD之間的雙向通信能力；LCRD將部署于地球同步軌道，其軌位處于這兩個地面站點之間，如圖1-12所示。

LCRD 擁有兩個光學模塊。光學模塊與調制解調器、電子控制器共同組成 LCRD的飛行有效載荷。LCRD有效載荷包含兩個相同的光學終端，這兩個終端由被稱為“空間切換單元”的組件連接；“空間切換單元”可用作數據路由器，還可以連接到射頻下行鏈路。調制解調器將數字數據轉化為激光或射頻信號，并進行逆向轉化，安裝在STPSat-6衛星上的兩個LCRD激光終端如圖1-13所示。一旦將數據轉化為激光，LCRD光學模塊將把激光攜載的數據傳送至地球。為此，光學模塊必須能夠精確指向，以接收和傳輸數據。電子控制器模塊可通過指揮執行器，幫助調節望遠鏡的指向并使其保持穩定，不受任何航天器移動和振動的影響。

LCRD激光終端在2021年發射升空，該終端的組成和信息流如圖1-14所示，其通信速率可以達到2.880 Gbit/s（DPSK）、622 Mbit/s（PPM），激光終端的通信波長為1 550 nm，望遠鏡口徑108 mm，發射光功率0.5 W，功耗130 W，質量60 kg。

LCRD的第一個太空用戶是NASA的集成LCRD近地軌道用戶調制解調器和放大器終端（ILLUMA-T），如圖1-15所示，該終端接收來自空間站上的實驗和儀器的高質量科學數據，然后以1.2 Gbit/s的速率將這些數據傳輸到LCRD。LCRD會以相同的速率將其傳送到地面站。

2014年4月，激光通信科學光學載荷（OPALS）隨SpaceX的“龍”飛船發射升空。如圖1-16所示。該載荷被NASA安裝在國際空間站的艙外，與JPL的桌山的光學地面站進行通信，采用4個上行的信標光抑制大氣湍流的影響。在晴天和暗背景條件下，空間站激光終端很容易捕獲到地面上行信標光，白天跟瞄是個巨大的挑戰。每天國際空間站18次經過地面站，其中9次在白天經過，9次在晚上經過。2014年6月5日，OPALS在晚上第一次實現與地面站的通信，持續時間為148 s，重復發送了3.5 s的視頻；7月發送了1969年Apollo 11登月視頻，用時7 s。

為解決低軌衛星大容量數據下傳的問題，NASA提出擬開展超高速突發大容量激光數據下行試驗，即太字節紅外傳輸（TeraByte InfraRed Delivery,TBIRD）。該計劃最大通信速率達到200 Gbit/s，可以實現單個地面站每天50 TB數據的下傳，大幅縮減對激光骨干網的帶寬需求。如圖1-17所示，Tbird激光終端最大的特點是采用光纖通信的貨架100 Gbit/s光收發產品，終端的體積為2 U，質量小于2.25 kg，安裝在6 U的立方星上。初始的驗證工作地面站采用NASA現有的帶自適應光學的地面站，后期計劃研制低成本的光學地面接收站，可以放置在用戶的數據存儲中心，避免浪費地面光纖寬帶通信資源。

1.2.3 日本

日本開始進行星地光通信研究的時間較美國要晚一些，但是日本的研究進展迅速，并于1995年與美國噴氣動力實驗室一起實現了世界上首次星地光通信鏈路，從而證明了星地光通信是可行的。激光終端搭載的衛星平臺是日本的ETS-VI衛星，于1994年8月28日發射。該衛星與JPL的光學地面站開展了地面―軌道飛行器間激光通信演示（Ground/Orbiter Lasercomm Demonstration,GOLD）試驗。如圖1-18所示，GOLD試驗采用1個0.6 m和1個1.2 m望遠鏡，其中0.6 m望遠鏡用于1.024 Mbit/s上行信號光發射，調制方式為曼徹斯特偽隨機碼。激光通信終端的望遠鏡口徑為75 mm，具備光束瞄準、捕獲和跟蹤能力，實現方式為單反射鏡。下行發射光波長為830 nm，上行接收光波長為514.5 nm，采用硅基雪崩光電二極管（APD）作為通信接收器件。

日本航天局（JAXA）從1992年開始了名為OICETS的概念設計和可行性試驗衛星計劃，包括LUCE在內的初步設計在1994年完成。LUCE的工程樣機集成后開展了熱真空、電磁兼容性等環境適應性試驗，隨后研制的正樣件也經過了相應的環境試驗。2003年9月，Artemis衛星和日本的LUCE激光終端在西班牙借助光學地面站實現了光學捕獲跟蹤和通信測試，驗證了接口和流程的適配性。 OICETS衛星于2005年8月發射升空，軌道類型為太陽同步軌道，軌道高度為610 km，軌道傾角為97.8°。2005年12月，JAXA成功實現了世界上首次OICETS與Artemis衛星的星間雙向激光通信試驗，上行速率50 Mbit/s，下行速率2 Mbit/s，如圖1-19所示。

為了驗證星地激光通信的可用性，JAXA在2006年開展了 KODEN計劃，旨在通過多個地面站降低大氣湍流和天氣的影響。整個試驗分為5個階段進行，前3個階段分別在3月、5月、9月進行。這是首次低軌衛星對地激光通信試驗。第一階段采用多光束發射技術降低大氣湍流強度起伏；第二階段因為天氣原因沒有成功；第三階段測試了上行和下行的通信誤碼率；第四階段采用新的快反鏡測試星地下行的單模光纖耦合效率，測試激光光束的大氣傳播特性，并且測試LDPC糾錯碼對上行鏈路性能的改善作用；第五階段開展多個地面站聯合通信的試驗，成功和美國 JPL、歐洲航天局西班牙及德國宇航中心、日本 NICT 的4個光學地面站開展了聯合通信試驗，如圖1-20所示。

NICT光學地面站試驗時段一般安排在1∶00—2∶00，一共開展了57次建鏈通信試驗，其中建鏈成功次數為28次，由于雨和云造成建鏈失敗的次數為26次，操作失誤3次。在4站聯合試驗時的各站成功概率見表1-1。

假設4個光學地面站是不相關的，多站聯合建鏈概率可以表示為

根據式（1-1）計算的4站聯合成功概率為0.990 3。因此通過多站聯合提升星地鏈路可用度是可行的。

日本還開展了小型光學應答機（Small Optical Transponder,SOTA）的研制。該激光終端于2014年5月24日隨SOCRACTES衛星發射升空，軌道高度628 km，軌道傾角97.69°，主要發射目的為在軌驗證捕獲、通信編譯碼等。SOTA 的主要技術參數見表1-2，光學頭如圖1-21所示。

1.2.4 中國

中國對空間激光通信的研究開始于20世紀90年代，以電子科技大學和中國科學院上海光學精密機械研究所（中科院上海光機所）為主要代表，著眼于自由空間激光通信技術攻關。21世紀，哈爾濱工程大學、長春理工大學、中科院上海光機所、中國航天科技集團公司五院西安分院等開始了衛星激光通信工程整機研制，并先后開展了多次激光通信的在軌試驗。

2011年8月16日，中國首顆海洋動力環境監測衛星“海洋二號”在軌交付使用。在軌運行期間，搭載在“海洋二號”上的星地激光通信終端，成功進行了中國首次星地激光通信鏈路數據傳輸試驗，成為中國衛星通信技術發展史上的一個重要里程碑。

2011年10月25日，我國成功進行了星地激光鏈路捕獲跟蹤試驗，實現了中國首次高精度高穩定的雙向快速捕獲和全鏈路穩定跟蹤。2011年11月10日，中國首次星地激光通信鏈路數據傳輸試驗獲得成功，上行數據傳輸速率為20 Mbit/s。2011年11 月24日，星地激光高速數據傳輸試驗成功，下行數據傳輸速率達到504 Mbit/s，通信體制為強度調制/直接探測。

2007年，中科院上海光機所劉立人研究員在國內首次提出了空間相干激光通信的概念，旨在解決星間遠距離和高碼率對激光終端帶來的巨大挑戰，并在科技部項目的支持下，開始對我國相干激光通信核心器件——光學橋接器的攻關工作，在2009年實現了我國首次1 064 nm波長的BPSK調制、零差相干探測通信體制的全光學貫通，開啟了我國空間相干激光通信研究的序幕。

2016年，中科院上海光機所在量子科學實驗衛星上實現了我國首次星地相干激光通信，采用相干通信體制。其下行數據傳輸速率達到5.12 Gbit/s，采用BPSK/DPSK兩種通信體制兼容方案，通信波長1 550 nm；上行通信速率為20 Mbit/s，通信體制為16PPM，通信波長為20 Mbit/s，采用4孔徑平滑大氣湍流的影響。

墨子號科學實驗衛星及相干激光通信機光機主體如圖1-22所示。

2017年4月12日，實踐十三號衛星發射入軌。在近4萬千米遠的衛星與地面站之間，成功實現光束信號的快速鎖定和穩定跟蹤，且傳輸速率高、通信質量好，最高數據傳輸速率達5 Gbit/s，通信體制采用波分強度調制/直接探測方案。

2018年8月25日，北斗三號工程M11/M12衛星發射升空，每顆衛星上安裝了1個激光通信測量一體化終端。隨后在M17/M18、M19/M20、M21/M22等多顆中軌衛星上均安裝了激光通信終端，在IGSO衛星上也安裝了激光通信終端，成功實現了中國第一次星間激光通信在軌通信測量試驗。激光通信終端的工作波長為1 550 nm，數據傳輸速率最高為1 Gbit/s，測量精度小于5 mm。

2019年12月27日，實踐二十號衛星成功發射。實踐二十號衛星搭載了中國首套高速高階相干激光通信終端。2020年內首次在軌驗證了QPSK相干體制的激光通信，數據傳輸速率高達10 Gbit/s。