近年国外空间激光通信进展 - 蓝星光域｜成为激光通信领域TOP1，打造全光网络生态 & 氦星光联 HiStarlink.com

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来源 | 深夜空间局LASA

作者 | LASA鹏

空间激光通信（SpaceLaser Communication）是指利用激光束作为载波在空间直接进行语音、数据、图像信息双向传送的一种技术，又称为“自由空间激光通信”（Free Space Optical Communication）。随着空间技术及传感技术，如高分相机、合成孔径雷达等技术的发展，卫星及各种航天器所需的信息传输量呈指数级增长，目前卫星通信所采用的微波通信为主的通信手段已难以满足通信容量需求。空间激光通信技术具有传输速率快，通信容量大、抗干扰能力强、安全保密性高、系统终端体积小/质量轻/功耗低等优势，成为未来空间链路的发展方向，引发各航天强国的研究热潮。

截至2018年7月，中国已经先后发射了3颗光学实验卫星，分别是海洋二号卫星（2011年8月16日发射）、墨子号量子科学实验卫星（2016年8月16日发射）和实践十三号卫星（2017年4月12日发射）。欧洲、美国、日本等均在空间激光通信技术领域投入巨资进行相关技术研究和在轨试验，对空间激光通信系统所涉及的各项关键技术展开了全面深入地研究，不断推动空间激光通信技术迈向工程实用化。本篇重点介绍国外近年来空间激光通信的最新进展。

欧洲重点推进激光通信系统商业化运营

欧空局（ESA）早期实施的“半导体激光星间链路试验”（SILEX）等项目，首次验证了低地球轨道（LEO）至地球同步轨道（GEO）的星间通信。2008年底，欧空局决定在其“欧洲数据中继系统”（EDRS）中应用激光通信终端，以促进空间激光通信系统的研发和实施达到成熟阶段，通过2颗地球静止轨道（GEO）数据中继卫星（EDRS-A和EDRS-C）为低轨道（LEO）的航天器与地面控制中心进行实时数据中继，构建“太空数据高速路”（Space Data Highway），并以商业模式运营。“欧洲数据中继系统”取得了一系列突破性进展，成为世界上首个商业化运营的高速率空间激光通信系统。

EDRS星座结构图示意图

激光数据通道由Space DataHighway在慕尼黑的任务操作中心控制，7˟24小时运维服务。激光通信终端由Tesat-Spacecom和DLRGerman Space Administration开发。操作人员接收客户的数据传输请求，制定卫星和地面设备的操作程序，并监控通信性能。

搭载“欧洲数据中继系统” 首个激光通信中继载荷EDRS-A的Eutelsat 9B卫星于2016年1月29日成功发射，可提供激光和Ka波段两种双向星间链路，星间激光传输速率可达到1.8 Gbps，星间最远距离达到45000 km，并于2016年7月进入业务运行阶段。EDRS-A载荷实现在轨服务是近年来欧洲航天技术快速发展的一个重要里程碑，第2颗卫星EDRS-C预计于2018年发射。

据ViaSatellite消息，在投入日常运营服务的近两年时间里，EDRS-A卫星已成功完成万次激光传输连接，可靠性达99.8%，传输数据已达500TB，目前Space DataHighway每天可传输40TB遥感卫星、无人机和飞机的数据。根据ViaSatellite的数据可以推算，在近两年时间里使用EDRS-A卫星激光链路的累计时间约为77.2小时，即3.2天。

2017年3月7日，EDRS的用户欧盟“哥白尼计划”的“哨兵2B”卫星成功发射，该卫星用于地球观测领域的数据图像采集，回传采用X波段和激光载荷，其中激光载荷通过EDRS-A中继系统将图像传至地面。据ViaSatellite报道，除现在已经使用EDRS服务的哥白尼计划外，未来将应用于其他更多客户终端，例如：2019年该系统将服务于国际空间站的哥伦布模块，2020年 Pleiades Neo卫星（Airbus的高分辨率光学遥感卫星，达到30cm分辨率）将使用这项服务。

欧空局计划在2020年扩展成为全球覆盖系统，形成以激光数据中继卫星与载荷为骨干的天基信息网，实现卫星、空中平台观测数据的近实时传输，未来EDRS的主要市场将是无人机编队的通信服务。EDRS不仅将满足欧洲航天活动对空间数据传输速率、传输量和实时性日益增长的需求，更将使欧洲摆脱对非欧洲地面站的依赖，保持空间通信的战略独立性。

美国加速发展空间激光通信技术

美国早期所开展的激光通信演示系统（OCD）以及转型卫星通信系统（TSAT）等项目，为其积累了大量技术经验。而近年来，美国国家航空航天局（NASA）更是积极推进空间激光通信项目的发展，加速空间激光通信技术的研发与验证，为未来空间海量数据的传输寻求解决方案。近两年，美国在空间激光通信技术领域具有5个方面的进展。

1、光通信与传感器演示项目成功发射1.5U卫星

2017年11月，NASA研制的两个创新型1.5U立方体卫星在美国沃洛普斯飞行试验场成功发射。这两个立方体卫星是为NASA的第二个“光通信与传感器演示（OCSD）”任务而发，此次任务主要验证未来小型卫星的数据高速光传输与小卫星间的近距离操作能力。

OCSD上的激光通信系统与其他空间激光通信系统不同，该激光器安装在航天器上，光速的指向需要依靠控制整个航空器的方向来进行，这使得该激光系统比以往任何太空中飞行的系统都要更为紧凑。最为关键的是，它无需捕获、指向与跟踪（APT）系统，仅靠卫星自身的姿态控制实现对准，因此飞行器的姿态控制是其关键能力之一。OCSD项目曾于2015年发射立方体卫星，但因卫星姿态控制系统问题，未能完成星上激光通信载荷的测试。此次发射的两颗卫星，吸取了2015年任务失败的经验。

OCSD-2（1.5U）卫星工作示意图

2、激光通信中继验证（LCRD）项目进入集成与测试工作阶段

2017年2月NASA的LCRD项目成功通过关键设计审议，并已于2018年开始进行开发集成与测试阶段，正为2019年新一阶段的项目启动（原计划最早于2017 年启动）积极准备。早在2013年，作为即将进行的“激光通信中继演示”的先期预演，NASA成功验证了从月球进行高速数据传输的激光通信试验（LLCD），创下622 Mbps 的下载速率纪录。

LCRD将验证激光与射频通信的数据中继能力，接收地面站的光束信号，然后系统将信号中继到另一个远距离地面站。其他计划中的试验项目还包括：测试可供位于不同地点的多个用户使用的数据多路传输技术；类似于数字视频录像机的存储/前传能力，将视频类信息加以存储并以较低数据率进行中继；测试所有不同天气条件和时间下的激光通信性能，并学习如何充分利用其优点。MIT林肯实验室将为此次试验提供光学系统模块。

LCRD卫星在轨示意图

3、推进深空光通信（DSOC）项目终端达到6级技术成熟度

2017年NASA发文称，其DSOC项目正在开发关键技术，并使其达到技术成熟度（TRL）6级。TRL6级意味着它已经是一个功能完整的系统原型或具有代表性的模型。

由喷气推进实验室（JRL）主导的深空光通信（DSOC）系统项目计划于2023年启动，它是NASA太空探索任务的一部分。DSOC项目旨在研究激光通信对于深空任务中，数据速率、系统空间占用和功耗等指标能力改进。任务中飞船将飞向金星，进行的激光通信测试距离要比LCRD项目远得多。DSOC项目将提供一个深空光收发器和地面数据系统，项目开发的重要技术包括：轻型航天器扰动隔离和指向组件、高效率的飞行激光发射机以及一对用于飞行光学收发器和地面接收器的高效光子计数探测器阵列。这些技术将集成到DSOC飞行激光收发器（FLT）和地面接收器中。

按照计划，DSOC项目将在2017年年底达到技术成熟度6级，2018-2019年进行地面测试，2023年搭载“普赛克”（Psyche）飞行器向一颗金属小行星进发，进而对深空激光通信技术进行验证。

DSOC在轨示意图

4、启动宇宙飞船激光通信系统项目

2017年4月NASA启动一项计划，旨在为其执行深空任务的下一代“猎户座”（Orion）宇宙飞船研发激光通信系统。被称为“激光增强型任务与导航服务”（LEMNOS）的系统，将为宇航员提供最优的快速通信服务，使其与地面取得快速通信。

NASA认为激光通信将彻底改变低地球轨道外飞船的数据回传手段，将外层空间通信范围进一步拓展。LEMNOS将支持每秒至少80兆字节的数据率。LEMNOS项目目前刚刚启动，将在2021年Orion飞船飞跃月球期间进行首次测试，若任务进展顺利，NASA将在后续任务中部署更多的激光通信终端，从而支持飞船的空间探索任务。

“猎户座”宇宙飞船

5、开展“一体化射频与光学通信”项目

IROC卫星在轨示意图

NASA格伦研究中心团队正在开展“一体化射频与光学通信”（IROC）概念研究，计划向火星轨道发送一颗激光通信中继卫星，用于接收远距离航天器的数据并将数据中继至地球。“一体化射频与光学通信”系统将使用射频和激光集成通信系统，既可为使用激光通信系统的新型航天器提供服务，也可为使用射频通信系统的传统航天器提供服务，将有效促进NASA所有空间资产间的互操作性。

日本致力于激光通信终端小型化研究

日本主要采取国际合作的方式进行空间激光通信技术研究，早期开展的“地面轨道间激光通信演示验证”（GOLD）等项目取得了巨大的成功，实现了世界首次低轨卫星与地面站及移动光学地面站之间的激光通信试验。近年来，为保持空间激光通信技术方面的优势，日本向激光通信终端小型化、轻量化、低功耗方向发展。

特别是通过“空间光通信研究先进技术卫星”计划（SOCRATES），于2014年5月24日将“小型光学通信终端”搭载低轨小卫星SOCRATES发射入轨，验证了适用于50千克级小卫星的“小型光学通信终端”（SOTA）的对地激光通信业务。SOTA终端的总质量仅为5.8千克，最远通信距离达1000千米，下行通信速率10兆比特/秒，可构建全球光通信网络，使得飞机、卫星收集的高分辨率图像数据可通过空间激光通信链路下传至地面站。

近两年，日本在空间激光通信领域虽没有显著的成果，但是继续推进该国新版《宇宙基本计划》中所列的“激光数据中继卫星”计划，全面开展卫星正样产品的研制工作。卫星采用三菱电机公司的DS-2000平台，通信波长1064纳米，采用DPSK相干调制解调模式，LEO终端重量35千克，光学孔径100毫米，GEO终端重量50千克，光学孔径200毫米，平均功耗100W，预设通信速率达2.5吉比特/秒。预计“激光数据中继卫星”（GEO）将于2019年发射，实现数据中继系统由微波链路替换为激光链路，从而促进先进光学卫星等新一代高分辨率对地观测卫星之间的通信，届时日本将获得更高速的实时观测能力。