微小衛(wèi)星激光通信的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀

空間激光通信憑借其速率高、體積小、質(zhì)量輕和功耗低的優(yōu)勢(shì)，成為衛(wèi)星間高速通信不可或缺的有效手段，特別在微小衛(wèi)星應(yīng)用場(chǎng)合，更能體現(xiàn)激光通信的優(yōu)勢(shì)。文章詳細(xì)介紹了微小衛(wèi)星激光通信技術(shù)領(lǐng)域最新的研究進(jìn)展。在此基礎(chǔ)上，總結(jié)了需要突破的同軌終端輕小型化、異軌終端輕小型化、大氣湍流影響抑制等關(guān)鍵技術(shù)，歸納了工程化應(yīng)用、雙工通信、單點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、國產(chǎn)化和批產(chǎn)能力 5 個(gè)方面的發(fā)展趨勢(shì)。 1 引 言

質(zhì)量在 1000 kg 以下的人造衛(wèi)星統(tǒng)稱為“微小衛(wèi)星”。按照質(zhì)量由大到小其又可以進(jìn)一步劃分為小衛(wèi)星、微衛(wèi)星、納衛(wèi)星、皮衛(wèi)星和飛衛(wèi)星等。該類衛(wèi)星具有研制周期短、成本低的特點(diǎn)。由微小衛(wèi)星構(gòu)成的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，在遙感、測(cè)距、通信等領(lǐng)域均有其優(yōu)勢(shì)，尤其在空間信息網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，可以提供具有低延遲，低成本、高速度、高可靠性的衛(wèi)星服務(wù)。微小衛(wèi)星已被視為衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的重要組成。

得益于衛(wèi)星技術(shù)和航天發(fā)射技術(shù)的進(jìn)步，逐漸具備低軌道微小衛(wèi)星系統(tǒng)的大規(guī)模部署的條件，繼而對(duì)星間、星地互聯(lián)互通數(shù)據(jù)傳輸提出了更高的要求，同時(shí)微小衛(wèi)星對(duì)其載荷尺寸、質(zhì)量、功耗和成本，即 SWPaC（Size, Weight, Power and Cost）4 個(gè)方面要求很高?？臻g激光通信技術(shù)具有傳輸速率高、體積小、質(zhì)量輕、功耗低、距離遠(yuǎn)、保密性好和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，其中速率高、體積小、質(zhì)量輕和功耗低的特點(diǎn)特別適合應(yīng)用于微小衛(wèi)星平臺(tái)，以適應(yīng)高通量衛(wèi)星星座對(duì)星間、星地?cái)?shù)據(jù)傳輸需求。因此，微小衛(wèi)星激光通信技術(shù)迎來發(fā)展契機(jī)。

微小衛(wèi)星間通過激光通信方式進(jìn)行互聯(lián)互通，構(gòu)建成激光通信網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)“網(wǎng)狀網(wǎng)” 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，根據(jù)通信鏈路類型的不同，各節(jié)點(diǎn)激光通信系統(tǒng)的用途、功能組成和技術(shù)參數(shù)也不同。

文章第 2 部分主要圍繞用途、功能組成和技術(shù)參數(shù) 3 個(gè)方面總結(jié)微小衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)的最新發(fā)展現(xiàn)狀，第? 3 ?部分總結(jié)微小衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，第 4 部分歸納微小衛(wèi)星激光通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

2 微小衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

? 衛(wèi)星星座各個(gè)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)間的激光鏈路是通過搭載在衛(wèi)星上的激光通信系統(tǒng)互聯(lián)實(shí)現(xiàn)的，近年來，典型微小衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)包括美歐日等國的 OCSD、CLICK、VSOTA、FITSAT 和國內(nèi)的行云 T5。此外，商業(yè)化終端也正在形成，包括國外的 OPTEL-μ、Mynaric CONDOR 和 SA photonics Nexus 等。

2.1?OCSD

OCSD 衛(wèi)星是由美國 NASA 和美國航空航天公司聯(lián)合研制的，旨在演示甚小衛(wèi)星通過激光 通信提供高速率數(shù)據(jù)通信的能力，以驗(yàn)證星地通信。

OCSD-A 星于 2015 年 10 月發(fā)射，試驗(yàn)衛(wèi)星因姿態(tài)控制系統(tǒng)發(fā)生問題，導(dǎo)致無法對(duì)星上的激光通信載荷進(jìn)行測(cè)試。

OCSD-B/C 星于 2017 年 11 月發(fā)射，試驗(yàn)驗(yàn)證了衛(wèi)星對(duì)地下行 50/100 Mbps 的通信能力。

OCSD-B/C 的主要技術(shù)參數(shù)如表 1 所示。

表?1?? OCSD-B/C 系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

OCSD 地面站的主要技術(shù)參數(shù)如表 2 所示。

表2? 地面站主要參數(shù)

下行 50 Mbps 和 100 Mbps 的通信結(jié)果如圖 2所示?？梢?，在沒有糾錯(cuò)條件下誤碼率高達(dá) 1.0×10?6。

圖2? ?下行通信誤碼率（衛(wèi)星對(duì)地）

2.2? ? CLICK-B/C

由美國麻省理工學(xué)院 MIT（Massachusetts Institute ?of ?Technology） 、佛羅里達(dá)大學(xué) UF（University of Florida）和美國航空航天局埃姆斯研究中心（NASA Ames Research Center）聯(lián)合研制的CLICK 系統(tǒng)，用于驗(yàn)證星間、星地激光通信。

CLICK-B/C 系統(tǒng)包括光學(xué)和電子學(xué)兩部分， 如圖 3（彩圖見期刊電子版）所示，終端上半部分為光學(xué)系統(tǒng)，下半部分電子學(xué)系統(tǒng)，外形尺寸為1.5 U（96 mm×96 mm×147 mm）。激光終端采用衛(wèi)星作為粗指向機(jī)構(gòu)（Coarse Pointing Assembly，CPA），利用星歷數(shù)據(jù)解算衛(wèi)星開環(huán)粗指向。精指向機(jī)構(gòu)（Fine Pointing Assembly，F(xiàn)PA）是快速反射鏡。

CLICK 終端設(shè)計(jì)中采用了信標(biāo)光（976 nm）和信號(hào)光（1 537/1 563 nm），粗跟信標(biāo)光收發(fā)分立設(shè)計(jì)，信標(biāo)光發(fā)散角全角為 22.2 mrad（1/e2），發(fā)射功率為 250 mW，信標(biāo)光接收分為兩部分，分別為粗跟位置解算和精跟位置解算兩個(gè)支路。其中：粗跟解算支路使用分立鏡頭 ，型號(hào)為 Aptina MT9P031，其通光口徑為 16.1 mm，利用 CMOS 面陣探測(cè)器解算光斑位置，信標(biāo)光精跟位置解算支路用四象限探測(cè)器作為位置傳感器，與信號(hào)光收發(fā)支路共用開普勒 10 倍縮束望遠(yuǎn)系統(tǒng)，通光口徑為 20 mm，利用微機(jī)電快反鏡（MEMS FSM）作為 FPA，空間光縮束后，經(jīng)由近紅外/短波紅外分色片和短波紅外 1 537/1 563 nm分色片共分為 3 個(gè)光學(xué)支路，分別是信標(biāo)光精跟位置解算支路，信號(hào)光發(fā)射支路和通信支路。在信標(biāo)光精跟支路和信號(hào)光通信支路上裝有相應(yīng)譜段的窄帶濾光片。信號(hào)光發(fā)散角全角為 120.2 μrad（1/e2），發(fā)射功率為 200 mW。通信支路利用 200 μm 空間靶面 APD 作為探測(cè)器。

圖 3? ?（a）CLICK 激光終端布局及（b）原理框圖

CLICK 的主要技術(shù)參數(shù)如表 3 所示。

表 3? ?CLICK 系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)

2.3? ? VSOTA

由日本情報(bào)通信研究機(jī)構(gòu)（National Institute of ?Information ?and ?Communication ?Technology, NICT）和東北大學(xué)（Tohoku University）聯(lián)合研制的超小型激光發(fā)射模塊，用于驗(yàn)證星地激光通信。

VSOTA 的組成如圖 4 所示?？梢姡琕SOTA主要分為 VSOTA-COL和 VSOTA-E 兩部分，其中：VSOTA-COL 包括激光準(zhǔn)直發(fā)射和立方體兩個(gè)部分，發(fā)射激光波長分別是 1 540 nm和 980 nm，采用分立光路發(fā)射方案，立方體用于裝星標(biāo)校；VSOTA-E 為激光二極管驅(qū)動(dòng)電氣部分。依賴衛(wèi)星做 CPA，完成激光的指向功能。

圖 4? ? VSOTA 系統(tǒng)組成

VSOTA 的主要技術(shù)指標(biāo)參數(shù)如表 4 所示。

表 4? ?VSOTA 的主要技術(shù)指標(biāo)

2.4? ? FITSAT-1

日本在 2012 年 10 月，利用國際空間站 ISS（International Space Station）發(fā)射了一顆名為 FIT-SAT-1微納衛(wèi)星，用于試驗(yàn)星地可見光通信，如圖 5（彩圖見期刊電子版）所示。

該衛(wèi)星上表面（+Z）裝載 50 顆綠 LED 陣列，下表面（ -Z） 裝載 32 顆紅 LED 陣列， 發(fā)散角為120°，波長為 520 nm，調(diào)制頻率為 1 kHz，占空比為15% 情況下，綠燈功耗為30 W，紅燈功耗為15 W， 軌道高度為 400 km，通信速率為 1~10 kbps。

圖 5? FITSAT-1 俯視圖和仰視圖

2.5? OPTEL-μ

瑞士 OPTEL 公司研制了 OPTEL-μ 星載終端。該項(xiàng)目啟動(dòng)于 2010 年，目的是將 LEO 衛(wèi)星上產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以 2.5 Gbps 的速率傳輸?shù)焦鈱W(xué)地面站，遵循輕小型、穩(wěn)定型和多功能的原則，為各種低軌道小衛(wèi)星平臺(tái)服務(wù)， 其系統(tǒng)組成如圖 6 所示。

圖 6? OPTEL-μ 系統(tǒng)組成

OPTEL-μ 終端由激光單元 LU（Laser Unit）、電氣單元 EU（Electronics Unit）和光學(xué)頭 OH（Op- tical Head）3 部分組成，3 者之間通過導(dǎo)線和光纖連接。

OH 內(nèi)部集成了 CPA、光學(xué)系統(tǒng)和電氣單元3 部分。其中：OH 用于實(shí)現(xiàn)激光擴(kuò)束發(fā)射、激光耦合接收和光束指向等功能；LU 包括激光源、調(diào)制器和放大器，用于生成待發(fā)射光源；EU 包括終端控制器、通信電子電源（TCU）、RF 模塊（RFM）和功率調(diào)節(jié)單元（ PCU）， 用于完成指向機(jī)構(gòu)控制、激光器控制等功能。

OH 具有光束指向功能，可用于鏈路的建立與維持，在保證指向角度范圍和通光口徑的前提下，通過小型化設(shè)計(jì)，OH 的質(zhì)量為 4.4 kg，體積為 204 mm×238 mm×226 mm。

OPTEL-μ 終端的主要技術(shù)參數(shù)如表 5 所示。

表 5? ?OPTEL-μ 的主要技術(shù)指標(biāo)

2.6? Mynaric CONDOR

德國 Mynaric 公司的 CONDOR 星載終端如圖 7 所示。CONDOR 用于星間雙向通信，主要包括 CPA、光學(xué)系統(tǒng)和電子學(xué) 3 部分。

圖 7? ?CONDOR 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)原理框圖如圖 8 所示。光路組件主要包括望遠(yuǎn)鏡、FPA、提前瞄準(zhǔn)機(jī)構(gòu)（Pointing Ahead Assembly， PAA） 、窄帶濾光片（BP）?、 分光片（BS）、跟蹤探測(cè)器（CTS&FTS）、發(fā)射準(zhǔn)直和接收單元。

圖 8? ? CONDOR 激光終端原理框圖

CONDOR 的主要技術(shù)參數(shù)如表 6 所示。

表 6? ?CONDOR 的主要技術(shù)指標(biāo)

2.7? 行云 LaserFleet T5

2020 年 5 月 12 日，LaserFleet 公司為“行云二號(hào)”01 星（武漢號(hào)）和“行云二號(hào)”02 星研制的物聯(lián)網(wǎng)星間激光通信載荷以“一箭雙星”的方式發(fā)射成功。這是我國首次嘗試低軌衛(wèi)星星間激光鏈路技術(shù)驗(yàn)證。

LaserFleet 公司首款星間激光通信終端 T5 是搭載在微小衛(wèi)星上的緊湊型激光通信終端。如圖 9 所示。

圖 9? ?LaserFleet 公司的星間激光通信終端 T5 布局

T5 設(shè)計(jì)指標(biāo)如表 7 所示。

表 7? T5 主要技術(shù)指標(biāo)

2.8 小 結(jié)

文中提及的 VSOTA、FITSAT、CLICK、OC-SD、OPTEL-μ、CONDOR 和 T5 幾種激光通信終端由于衛(wèi)星平臺(tái)能力、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)帶寬、組網(wǎng)方式等不同，相應(yīng)的系統(tǒng)組成也不同，主要區(qū)別體現(xiàn)在光束指向機(jī)構(gòu)方案不同。通過表 8 可以看到，為滿足發(fā)射端光束指向要求，第一種方式是依賴微小衛(wèi)星做 CPA，這時(shí)激光終端自身帶有 FPA 或者不帶 FPA[13]；第二種方式是激光終端自身配有 CPA 和 FPA。另外， 對(duì)于通信距離遠(yuǎn)的場(chǎng)合（CONDOR 終端），由于通信雙方相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致發(fā)射對(duì)準(zhǔn)難度增加，這種情況下須配有 PAA。

表 8? 激光通信終端光束指向機(jī)構(gòu)

3 微小衛(wèi)星激光通信的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 星間同軌激光通信終端輕小型化

星間同軌通信場(chǎng)合下，根據(jù)軌道高度和軌道面布置衛(wèi)星數(shù)量的不同，通信距離約為 3 000~6 000 km，依據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)，光束粗指向范圍小于 5°。為完成星間互通互聯(lián)，一顆衛(wèi)星上安裝的終端數(shù)量為2~3 顆，終端質(zhì)量一般小于 8 kg。典型的同軌星間激光通信終端原理框圖如圖 10 所示，發(fā)射接收部分采用光譜分光方案。

圖 10? 典型同軌激光通信終端原理框圖

為了達(dá)到輕小化目的，進(jìn)一步縮小系統(tǒng)規(guī)模， 除了考慮采用高集成度電子學(xué)系統(tǒng)外，還需要進(jìn)一步優(yōu)化跟瞄機(jī)構(gòu)和減少光學(xué)支路的數(shù)量，主要包括兩方面：

（1）CPA?和?FPA?一體化技術(shù)

同軌終端的 CPA 多數(shù)情況下為擺鏡，用以修正初始瞄準(zhǔn)指向偏差和光束的慢速漂移，由于擺鏡位于終端望遠(yuǎn)鏡前端，鏡面尺寸大。高分辨率的精跟探測(cè)器（FT sensor）為 FPA 提供位置反饋，從而實(shí)現(xiàn)高精度快速跟瞄。

從 CPA 優(yōu)化角度出發(fā)，在滿足偏轉(zhuǎn)角度的前提下，提高系統(tǒng)諧振頻率，從而獲得更高的系統(tǒng)閉環(huán)帶寬，即使其具有鏡面尺寸大，運(yùn)動(dòng)范圍大、諧振頻率高、分辨率高的特點(diǎn)，如何降低系統(tǒng)功耗和質(zhì)量，提高分辨率是關(guān)鍵。

從 FPA 優(yōu)化角度出發(fā)，在滿足諧振頻率和分辨率的前提下，提高偏轉(zhuǎn)角度，終端即可獲得更大的光束指向范圍。該類機(jī)構(gòu)的要點(diǎn)是如何在保證大偏擺角度的同時(shí)獲得高分辨率，同時(shí)保證一定的鏡面尺寸，使其滿足光學(xué)縮束和裝調(diào)要求。

（2）位置探測(cè)支路和通信支路一體化技術(shù)

對(duì)于通信速率要求不高的應(yīng)用場(chǎng)合，將光斑位置探測(cè)支路和通信支路合二為一是實(shí)現(xiàn)小型化的有效途徑，這樣減少了光學(xué)支路和分光組件。但是該類系統(tǒng)對(duì)于探測(cè)器響應(yīng)和電子學(xué)處理系統(tǒng)提出了更高的要求。

3.2? 星間異軌激光通信終端輕小型化

星間異軌相比于同軌通信場(chǎng)合復(fù)雜，通信對(duì)象可以是同星座的異軌道衛(wèi)星，也可以是不同星座的衛(wèi)星，軌道高度從低軌道到高軌道，通信距離范圍大，約為 3000~36000 km，而終端質(zhì)量受微小衛(wèi)星平臺(tái)約束，往往小于 20 kg。典型的異軌星間激光通信終端原理框圖如圖 11 所示。

圖?11????典型異軌激光通信終端原理框圖

異軌終端 CPA 是角度擺動(dòng)范圍較大的機(jī)構(gòu)， 如 U 型架、潛望式、大偏擺鏡等，由于通信距離遠(yuǎn)，望遠(yuǎn)鏡通光口徑偏大，約為 80~200 mm，通信雙端距離遠(yuǎn)，便于搜索捕獲，系統(tǒng)中還存在大發(fā)散角的信標(biāo)光（Becon laser）發(fā)射和用于粗跟的信標(biāo)光位置探測(cè)單元（CT Sensor）。

為了進(jìn)一步降低系統(tǒng)規(guī)模，除考慮高集成度電子學(xué)系統(tǒng)外，還需要縮小光機(jī)部分的尺寸和重量，主要包括 3 方面：

（1）粗跟精跟探測(cè)器一體化技術(shù)

星間異軌終端有 CPA 和 FPA，在圖 11 所示的系統(tǒng)中，CT sensor 為 CPA 提供位置反饋，F(xiàn)T sensor 為 FPA 提供位置反饋，粗精跟探測(cè)器一體化設(shè)計(jì)，無疑是精簡了位置探測(cè)環(huán)節(jié)，但是要點(diǎn)在于如何保證捕獲階段大視場(chǎng)和精跟階段的高分辨 需求，如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)位置探測(cè)器對(duì)應(yīng)粗精跟執(zhí)行結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)解耦，如何匹配粗精跟位置反饋不同頻率要求等，以上因素均為其研究要點(diǎn)。

（2）CPA 和望遠(yuǎn)鏡一體化設(shè)計(jì)技術(shù)

CPA 和望遠(yuǎn)鏡在異軌終端結(jié)構(gòu)尺寸中占據(jù)很大比重，保證有效通光口徑，實(shí)現(xiàn)二者一體化設(shè)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)輕小型的關(guān)鍵。以折射式望遠(yuǎn)鏡和二軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為例，圖 12 給出了兩種一體化設(shè)計(jì)思路。該種思路的關(guān)鍵點(diǎn)是光機(jī)耦合設(shè)計(jì)的同時(shí)，還需要保證光學(xué)系統(tǒng)的性能及裝調(diào)可行性。

圖 12? 折射式望遠(yuǎn)鏡及兩軸轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)

（3）無信標(biāo)光捕獲技術(shù)

無信標(biāo)光捕獲技術(shù)，即利用信號(hào)光實(shí)現(xiàn)不確定區(qū)域的發(fā)射掃描和利用信號(hào)光位置探測(cè)支路實(shí)現(xiàn)不確定區(qū)域的捕獲：一方面， 利用 CPA 和FPA 在掃描角度和掃描頻率兩方面相互補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)高效的區(qū)域掃描；另一方面是實(shí)現(xiàn)發(fā)射束散角和接收視場(chǎng)角的實(shí)時(shí)可調(diào)，從而確保雙向捕獲的效率，而發(fā)射束散角往往是幾十微弧度量級(jí)，如何保證發(fā)散角調(diào)整過程中，光軸晃動(dòng)偏差實(shí)時(shí)修正是無信標(biāo)光捕獲技術(shù)的實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)。

3.3 星地通信大氣影響抑制技術(shù)

星地激光通信鏈路，大氣會(huì)給激光傳輸帶來衰減、閃爍和漂移等影響，出現(xiàn)激光光束質(zhì)量裂化、接收端光功率起伏范圍大、接收光功率衰減增加等現(xiàn)象，導(dǎo)致光學(xué)接收支路調(diào)光困難，退化光斑位置提取處理復(fù)雜，跟瞄精度下降，通信質(zhì)量變差，通信距離減少等問題。當(dāng)前，大氣影響因素是星地激光通信鏈路規(guī)劃、激光通信終端設(shè)計(jì)過程中一個(gè)無法量化的因素。通過加大接收光學(xué)天線口徑、引入自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)、高階調(diào)制解調(diào)方法、編碼糾錯(cuò)和光纖章動(dòng)等技術(shù)手段能一定程度上抑制大氣影響。但不同地域、不同天候以及環(huán)境變化帶來的大氣影響是實(shí)時(shí)變化的，因此，激光通信大氣影響抑制技術(shù)屬于理論和實(shí)踐不斷迭代、不斷深入的一項(xiàng)技術(shù)。

4 發(fā)展趨勢(shì)

4.1 太空互聯(lián)網(wǎng)大發(fā)展將加快微小衛(wèi)星激光通信技術(shù)從演示驗(yàn)證向工程應(yīng)用的步伐

當(dāng)前國內(nèi)外空間信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅猛，據(jù)悉，中國航天科技集團(tuán)“鴻雁”星座（300 顆）、中國航天科工集團(tuán)“ 虹云” 星座（ 156 顆） 和“ 行云” 星座（ 80 顆） 、 中國電子科技集團(tuán)“ 天地一體化”（ 80 顆 ） 等 ；國 外 “ Kuiper” 星 座 （ 3236 顆 ） ， “Telesat”星座（298 顆），“Starlink”網(wǎng)絡(luò)（1.2 萬顆）等星座大都由低軌道微小衛(wèi)星組成，大都將激光通信列為其骨干傳輸鏈路方式之一。其中， 截止 2020 年 4 月 22 日，“Starlink”星座在軌衛(wèi)星已經(jīng)達(dá)到 422 顆，計(jì)劃從 2020 下半年開始發(fā)射裝備有星間激光通信鏈路的衛(wèi)星。

從軍事應(yīng)用角度看，歐美等國家也在加快布置微小衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)。據(jù)美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）官網(wǎng) 2020 年 5 月 11 日?qǐng)?bào)道，DARPA正在與美國太空軍和太空發(fā)展局合作，計(jì)劃于2020 年底和 2021 年將“黑杰克”項(xiàng)目的小衛(wèi)星發(fā)射到低地球軌道，用于驗(yàn)證衛(wèi)星星座自治和空間網(wǎng)狀網(wǎng)技術(shù)。該星座星間互聯(lián)采用了激光通信技術(shù)，激光終端由SA 光子公司提供。

由上可見，太空互聯(lián)網(wǎng)大發(fā)展，軍民兩大應(yīng)用領(lǐng)域都將加快微小衛(wèi)星激光通信技術(shù)的發(fā)展步伐，縮短從演示驗(yàn)證向工程應(yīng)用的過渡時(shí)間。

4.2 終端雙向傳輸能力需求

衛(wèi)星業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)最終要回傳至地面，建立具有中繼數(shù)傳能力的微小衛(wèi)星星座，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在星間的中繼傳輸，是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星對(duì)地下行傳輸行之有效的手段。因此，具有雙向數(shù)傳能力的星載激光通信終端更加適用于微小衛(wèi)星應(yīng)用場(chǎng)合，而收發(fā)速率匹配是實(shí)現(xiàn)高效率中繼的保障，因此，激光終端要具有全雙工高速率通信能力。德國 Mynaric 公司的 CONDOR 終端目的即實(shí)現(xiàn)星間全雙工 5~10 Gbps 通信。

4.3 單點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信能力需求

隨著激光通信技術(shù)在天基通信網(wǎng)絡(luò)（GEO、 MEO、LEO）中的逐步應(yīng)用，激光通信組網(wǎng)成為未來主要發(fā)展趨勢(shì)。然而，受激光發(fā)散角小、動(dòng)態(tài)接入、空間環(huán)境等影響，當(dāng)前激光通信都是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星組網(wǎng)的，因此，單個(gè)衛(wèi)星上需要安裝多臺(tái)激光通信終端。受微小衛(wèi)星平臺(tái)資源限制，解決上述問題可通過優(yōu)化終端質(zhì)量功耗，達(dá)到要求更加嚴(yán)格的 SWaP 水平；研究動(dòng)態(tài)路由解決接入問題；研究激光終端單點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信能力。對(duì)于瞄準(zhǔn)星間組網(wǎng)一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的目標(biāo)，美國加利福尼亞大學(xué)研究的 ISOC（ Inter-spacecraft Omni- directional Optical Communicator）提供了一種思路，系統(tǒng)中每個(gè)單元利用 MEMS 快速反射鏡擺掃可覆蓋±12°的光學(xué)空間錐角，將多個(gè)發(fā)射接收單元拼接為陣列球型，可實(shí)現(xiàn)全天域空間角度覆蓋（除衛(wèi)星安裝面遮擋外）。ISOC 系統(tǒng)光學(xué)頭布局和實(shí)現(xiàn)原理如圖 13（ 彩圖見期刊電子版） 所示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：通信距離為 200 km，通信速率為 1 Gbps，波長為 850 nm，發(fā)射功率為 1 W。

圖?13????光學(xué)頭布局及原理圖

4.4???整機(jī)國產(chǎn)化能力需求

微小衛(wèi)星激光通信終端主要包括瞄準(zhǔn)、跟蹤、光電位置探測(cè)和調(diào)制解調(diào)等部分，單元組件包括光學(xué)元件、電機(jī)、測(cè)角組件、快反、光斑位置解算（CMOS 焦平面探測(cè)器、QAPD 等）、通信組件（耐輻照光纖、光纖放大器、直接探測(cè)器組件、相干探測(cè)組件等）、信號(hào)處理組件（FPGA、DSP等），當(dāng)前我國相關(guān)研究機(jī)構(gòu)正在開展相關(guān)組件的國產(chǎn)化研究，整機(jī)國產(chǎn)化率要求也將從組件國產(chǎn)化發(fā)展為器件國產(chǎn)化。

4.5? 批量生產(chǎn)及低成本能力需求

未來對(duì)微小衛(wèi)星激光通信終端的需求量巨大，發(fā)射組網(wǎng)規(guī)劃要求縮短生產(chǎn)周期。綜合考慮以上要求，微小衛(wèi)星激光通信終端研制方應(yīng)在具有批量生產(chǎn)能力的同時(shí)降低終端研制成本，保證SWPaC， 最終形成貨架產(chǎn)品 COTS（ Commercial Off The Shelf）。

5 結(jié)束語 ? ?

空間激光通信憑借其帶寬大、質(zhì)量小、功耗低等優(yōu)勢(shì)，有望成為未來空間高速通信的主要方式，在衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中扮演重要角色。美國、歐洲和日本均已深入研究空間激光通信關(guān)鍵技術(shù)，且完成了多項(xiàng)在軌試驗(yàn)，正走向商業(yè)化運(yùn)行，微小衛(wèi)星激光通信領(lǐng)域發(fā)展也很迅猛，多項(xiàng)驗(yàn)證均已開展。我國雖然起步晚，但是近年發(fā)展很快，完成了 LEO-地 、GEO-地 、MEO-地 、MEOMEO、GEO-GEO、空空、空地等多項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證。

本文以微小衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)為切入點(diǎn)，綜述了其部分發(fā)展現(xiàn)狀，歸納了發(fā)展趨勢(shì)，有助于該領(lǐng)域研究人員及時(shí)了解發(fā)達(dá)國家在微小衛(wèi)星激光通信領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展規(guī)劃，有利于提前做好技術(shù)準(zhǔn)備，使我國空間激光通信技術(shù)穩(wěn)步推進(jìn)， 讓該技術(shù)助力微小衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展。

本文轉(zhuǎn)載自《中國光學(xué)》2020年第6期，版權(quán)歸《中國光學(xué)》編輯部所有

作者：高世杰，吳佳彬等

審核編輯：黃飛

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