[激光通信] 美国Cubesat卫星的激光通信领域发展

在我们写上一阶段的中继卫星+地面站系列的时候，注意到了一篇采访，来自2018年10月19日的POLITICO杂志，是POLITICO采访BridgeSat的CEO的，文章名为《Why the ‘timing is right’ for laser communications》。

在这个采访中， Barry说了这么一段话：“如果在9~12个月前，我会说我确实有一点担心，担心的是我们现在就开始做光通信有点太早了。但现在我可以说，时机已经成熟了。上周举行的Satellite Innovation大会上，在三个不同的Panel中，光通信被提到的次数超过了我在以前几次会议中听到的总和。当我们在考虑下一步通信该去向哪里的时候，总要考虑的几个问题是：频谱，容量，速度和安全性。”

而在去年Utah举办的小卫星会议上，也有一篇很有意思的文章，题目和Barry接受采访后的文章几乎一样，名为《Why now is the time for Smallsat Optical Downlinks》。

对于Barry说到的四个问题，频谱，容量、速度和安全性，几乎都是指向了一项现在看起来并不成熟但实际上已经在逐渐进入业务运行阶段的技术——激光通信。

我们简单统计了一下Utah小卫星会议上出现过的与激光通信相关的论文标题，进行了一个统计如下：

从2000年起，激光通信在小卫星会议上出现的次数越来越多，到2018年达到了8篇，这与2017年底成功发射的NASA OCSD任务相关，但也从一个侧面反映了激光通信在小卫星话题中越来越热。

今天我们想说的不是下图中的任何一个项目，因为通过搜索CNKI和各类国内文章，这一类的信息已经非常丰富了，结合上面说到的NASA OCSD任务，我们就打算写一下与及光通信相关的Cubesat。

查完一圈，有一个有意思的现象，就是欧洲和日本都没有非常明确的Cubesat激光通信规划，但有相关的小卫星规划，所有能查到详细信息的Cubesat激光通信项目，几乎都在美国，所以本文我们就先只说美国的。

不过就在我写完本文开始校对的时候得到了一个前线消息，我国首个Cubesat的激光星地通信试验即将在12月1日“开光”测试，如果成功，这将会是世界继美国之后，第二个成功利用Cubesat完成星地激光通信实验的项目。

LaserFleet建设的商业光学地面站

根据上图所示的情况，地面站已经就位，只等卫星发下那一束连接的激光了，我们一起期待2018年12月1日中国Cubesat激光通信的好消息。

我们之前中继卫星的文章中提到过，在2004年2月在ESA出版的ARTEMIS宣传册中，ESA官方明确指出：“……小型的激光通信终端在未来的空间数据中继系统中将会非常具有竞争力。美国已经在关于高速通信基础设施的政策上出现变化，将集中在光学数据中继系统的应用上。因此，毫无疑问的是，欧洲工业不会在这一领域失去领先地位。”

站在14年后的今天，美国也还没有发射光通信中继卫星，但美国在两个领域的激光通信做出了骄人的成绩，一是深空探测，二是Cubesat，今天我们先来看看Cubesat。

Optical Communication and Sensors Demonstration (OCSD)

 

2012年，NASA的Small Spacecraft Technology Program选定了5个项目将在未来进行飞行试验，其中就有OCSD项目。而今年，这个项目完成了世界上首次Cubesat上的激光通信验证，从而成为了激光通信领域和Cubesat领域被重点关注的对象。

OCSD项目的主要承包商是Aerospace Corp. 项目的主要目标是用两颗1.5U的Cubesat，利用星上的雷达、光学传感器和冷气推进执行编队飞行和交会抵近操作，并验证激光通信载荷的下行传输。

但在项目执行中，Aerospace Corp.决定将用于飞行验证的模型件作为飞行件进行在轨验证以降低项目风险，而后再将两颗飞行件送入太空。

OCSD-A, Pathfinder, Aerocube-7A

2015年10月，用于验证的Pathfinder卫星发射升空，在这颗卫星上，团队希望能够通过一系列的验证以降低项目风险，验证包括：

1) 自研的星敏感器

2) 第一代的激光发射装置

3) 自研的SDR设备

4) 新的功率调节和控制系统

Aerocube-7卫星包含一个6W的下行链路激光器，两个独立的915MHz应答机，一个GPS接收机，一套设计指向精度0.15°的三轴稳定姿控组件，一个Jenoptik DLEMSR激光测距仪，两个星敏感器，一个180°视野的彩色照相机，两个可展开太阳能电池帆板，以及由20多个微处理器和3个FPGA组成的分布式计算系统，8GB的Flash存储卡。其中卫星对地面如下图所示，包含上行激光链路接收器，下行激光链路发射器，激光反射器，超广角相机和LED信标等。

由于发射前，OCSD-A的软件模块并未全部完成，因此需要在轨进行软件上注进行更新。作为“已经在9个不同的航天器进行了350次成功上注的举措”，却不幸的在一次失败了。2016年8月，由于软件上注升级后整星进行了一次系统重启，随后姿控系统工作出现异常，而姿控系统又与激光通信实验装置锁定，因此在这次在轨实验中无法进行激光通信的实验。

但在其他的多项实验验证中均获得了成功，且Aerospace Corp.针对这次上注的问题进行了软件的修改，使得其一开始打算的“降低OCSD正式试验风险”的目的也充分达到了。

“Nevertheless, the project learned important lessons.”

OCSD-B/C, Aerocube-7B/C

相比较于OCSD-A卫星，后面的两颗卫星进行了一些改进。由于姿控系统的改进使得卫星能够达到更高的指向精度，激光通信终端的FWHM由原来的0.35°调整到了0.15~0.05°，同时这也使得激光通信终端的输出功率从6~10W降低到了2~4W。同时对于激光通信终端进行了优化，终端高度仅2cm，相比较于OCSD-A的615g激光通信终端，OCSD-B/C的终端重量仅360g。

除了激光通信终端，OCSD-B/C还在推进模块和软件上注模块进行了适应性改进。

2017年11月，OCSD-B/C发射随Cygnus飞船到达国际空间站，2017年12月，Cygnus飞船离开国际空间站，升轨到450km，随后释放OCSD-B/C两颗卫星。

2018年3月开始， OCSD-B和OCSD-C就开始进行交会抵近的操作，非常成功，最接近时的距离达到20m。

2018年8月2日，OCSD-B/C卫星成功在轨进行了100Mbps的激光下行链路测试，完成了Cubesat平台的首次激光通信星地下行传输。下图是OCSD-B卫星进行50Mbps和100Mbps传输的误码率统计，其中在50Mbps传输过程中有25s比较稳定的达到10e-6的误码率，未来OCSD-B/C卫星还将进行更多的试验。

根据2018年8月在Utah小卫星会上Aerospace做的《The NASA Optical Communications and Sensors Demonstration Program: Proximity Operations》报告来看，OCSD-B/C全面完成了既定的任务，并有很大的突破。

在本文中，对OCSD中最值得关注的点除了激光通信终端本身，还有就是使得激光通信能够顺利进行的姿控组件。在OCSD-A中正是因为姿控组件的问题导致了没有进行激光通信的实验，使得一开头的那个Cubesat对地激光通信首次实验推迟了3年，但在OCSD-A中没有被充分验证但得到了一定验证的姿控组件在OCSD-B/C任务中的发挥非常优秀。OCSD-B/C发射前进行的误差估计为0.062°(3σ)如下表所示，

实际在轨的误差曲线如下图所示，达到了0.01°以内。

R-Cube (AeroCube-11)

凭借着NASA的资助，Aerospace工程师的不懈努力，Aerocube系列卫星在Cubesat领域里达到了一个又一个的新高度，而沿着其Cubesat激光通信的步伐，Aerocube-11A/B双星将在今年年底随NASA的ELaNa XIX任务由Rocket Lab的Electron火箭送入太空。而这发火箭也是NASA Venture Class Launch Services的首个任务。

Aerocube-11的两颗卫星上都携带了激光通信载荷用于传输星上载荷在空间获取的数据

未来，Aerospace希望能够利用现在逐渐成熟的Cubesat激光通信技术，建立起来一个空间中继网，其中每个节点都有两个卫星。

Cubesat Laser Infrared CrosslinK (CLICK)

2017年，NASA的SSTP项目批准了一批新启动项目，其中包括CLICK（Cubesat Laser Intersatellite CrosslinK），该项目致力于通过University of Florida、MIT和NASA的合作，用两颗立方星在LEO轨道验证星间激光通信技术，该项目的激光通信载荷由NASA、AFRL等项目资助的项目在项目启动后18个月内提供，平台由NASA提供。

项目最初的任务规划是将两个1.5U的激光通信载荷分别放在两颗3U的Cubesat卫星上，在400~600km轨道上验证20Mbps的星间激光通信链路，星间激光通信链路采用的1550nm的激光。

MIT在2017年Utah小卫星会议上表示，该项目会继承MIT在NODE项目上的载荷成果，将NODE(Nanosatellite Optical Downlink Experiment)载荷放置在其3U的FLARE(Free Space Lasercom and Radiation Experiment)卫星上。NODE是MIT基于对星地链路在美国的发展提出的一款小型化，低功耗的激光通信终端，其相比较于前文提到的OCSD的Aerospace的终端，更小更轻，发射功率更低。

NODE项目的目标是要将星地激光通信终端的价格降低到15000美元以内， 其通信速率与地面接收天线终端口径相关，30cm口径的天线能够支持10Mbps速率，1m以上口径天线能够支持100Mbps的速率。

同时地面的接收终端可采用业余天文爱好者的望远镜改装而成，只需40000美元。

未来MIT会在现有基础上继续开发二代和三代的NODE终端，不断提高通信速率和发射功率，力争在未来能够在1m口径天线上达到1Gbps以上的通信速率。

但在2018年Utah的小卫星会议上，MIT也做了关于CLICK项目的报告，我们发现卫星的载荷和平台都进行了调整。星间激光通信的载荷成为了2U，卫星平台也相应的扩大成为了6U，目标是要建立在10~855km的星间距离内20Mbps的全双工激光通信。

项目中拟采用的载荷技术参数和结构如下：

在这一项目中，MIT只承担星间链路PAT的设计和实现，其过程分为初始化、激光信标捕获，粗瞄和细瞄四步完成后建立激光星间通信链路。

目前此项目仍在进行中。

1U Cubesat Lasercom Terminal for Deep Space Communication

2014年，Fibertek公司拿到了NASA的SBIR项目Phase I的合同，将由Fibertek负责开发一款1U大小的Cubesat激光通信终端用于深空通信。

紧接着，2015年，在Phase I结束后，NASA又授予Fibertek公司149万美元用于Phase II阶段的研发工作。

基于Fibertek在激光通信领域良好的技术基础和在NASA多个项目中激光雷达的良好经验，Fibertek在2017年初步完成了原理样机的研制，其采用1550nm的下行链路，1064nm的上行链路，能够在OOK的调制方式下达到10Gbps的下行速率，在PPM的调制方式下达到100Mbps的下行速率。载荷重量小于2kg，功耗小于20W，激光发射功率可达2W。

未来该终端将进行地面的测试，并计划在2018年后进行飞行试验。未来该载荷极有可能搭载Blue Canyon的XB1平台执行深空探测任务。

前文我们提到的Aerospace的OCSD-B/C卫星在2017年前都将保持其Cubesat的最高指向精度。但在2018年被Blue Canyon打破，这也是Blue Canyon被NASA选中作为深空探测激光通信平台的重要因素之一。 

而前几天被刷屏的MarCO-A/B卫星采用的正是Blue Canyon的姿控系统XACT（fleXible Attitude Control Technology）

XACT的技术指标参数如下：

Inter-Satellite omnidirectional Optical Communicator (ISOC)

ISOC项目是NASA在2016年资助的SSTP新项目，该项目的目标是开发一个全向的激光通信设备，能够在自由空间200km范围内达到1Gbps的数据速率。该项目无论是全向的设计还是数据速率，对Cubesat都是个严峻的挑战。NASA投入了20万美元的科研经费，由University of California- Irvine,  JPL合作开发两个全双工通信的全向通信原型机。ISOC最终的设计目标是能够实现如下图所示的多颗Cubesat间的激光通信。

在进行全向激光通信载荷设计时，由于考虑到Cubesat的体积和外形限制，项目组采用了球型而非方形的终端设计。

目前，两个原型样机已经在JPL的实验室中进行测试，实验结果满足项目组要求。

项目组计划将ISOC载荷搭载到6U的Cubesat上进行在轨实验，该卫星也将采用Blue Canyon的XACT姿控组件，还将采用eHAWK的太阳能电池板，该太阳能电池板在JPL的MarCO，Asteria，Lunar Flashlight项目，NASA的BioSentinel，NEAScout等多个项目中使用。

预计2018年第四季度，会有四颗携带ISOC的卫星发射入轨，它们将在轨测试ISOC的在轨性能。

总结

首先，NASA始终是站在一项新技术发展背后最强大的动力，一方面通过NASA在SSTP、SBIR甚至是ELaNa项目的资助，使得高校或企业能够在开展研发时更加得心应手，另一方面，也是我认为更重要的一点是，NASA通过这样的一种引导使得“良性竞争”和“避免重复建设”成为可能。

其次，MIT作为激光通信领域的传统名校，渗透到了几乎所有美国相关的Cubesat激光通信的项目中，在这些项目中，MIT或承担PAT任务，或承担算法任务，或承担激光通信载荷任务，以MIT带其他高校或项目的方式使得多个项目取得了不错的成果，这是整个美国激光通信领域能够不断提升的一个新动力。

最后，所有激光通信项目都提到了关于未来频谱拥挤，FCC管理趋严，数传速率发展等方面带来的激光通信的新机遇。目前NODE项目提出的卫星激光通信终端的目标价格已经达到了15000美元，单个地面站成本也低至40000美元，不仅仅在技术上，从成本上通过Cubesat激光通信项目的发展可能已经使美国的激光通信星地通信领域具备了和射频链路竞争的能力，这是在2012年刚刚开始OCSD项目时不能想象的。

全文毕