空間激光通信

1、空間激光通信研究現狀空間激光通信相對射頻通信有著速率高、容量大等許多優(yōu)點，從上世紀80年代起，各國就陸續(xù)開展了對空間激光通信的研究。目前，各國激光通信的調制方式主要分為PPM、PSK和OOK三種，本文按照調制方式對各國的空間激光通信研究現狀進行描述。1，PPM歐洲的SILEX項目、OPTEL項目和美國的LLCD項目、LCRD項目、MLCD項目使用或部分使用PPM調制方式。1.1，LLCD項目13 LLCD是美國NASA2013年開始實行的一個項目，該項目建了兩個探測器，月球環(huán)境探測器LLST和地面站LLGT，LLST和LLGT的通信距離距離在35000400000km之間。 如圖1（1）所示，

2、地面站LLGT重達7噸，有4個15cm發(fā)射鏡頭和4個40cm接收鏡頭組成。LLGT的發(fā)射機使用的調制方式為4-PPM，每4個數據時隙后跟有12個或者28個靜默時隙，發(fā)射激光器的波長是1550nm，通過4個發(fā)射鏡頭實現4路時分復用，信號發(fā)射前經過一個10W光放大器放大，傳輸速率為10/20Mbps，這個速度是目前地月RF通信的5000倍。為降低誤碼率采用了turbo碼作為信道編碼，碼率為1/2，實現了0誤碼。4路接收鏡頭陣列有效提高了接收信號強度，接收機是4個超導單光子計數探測器（工作在3K溫度上），接收靈敏度極高，如圖1（2）所示，能夠提供高速光子計數測量1。 月球探測器LLST由光學模塊、調

3、制解調器、電子控制器三個模塊組成2，質量30kg。光學模塊由一個10cm鏡頭的鏡頭組成，完成發(fā)射和接收光信號的功能，光學模塊安裝在一個二軸平衡臺上，臺上有粗瞄準和捕獲探測器，該模塊能夠測試飛船的振動并進行補償，實現對地面站的瞄準和捕獲，光學模塊通過光纖耦合到調制解調模塊上。調制解調模塊的主要功能是調制和解調光信號，如圖2所示，模塊內置了311MHz低噪聲時鐘（經VCO可倍頻至5GHz），解調模塊前置了一個0.5W的放大器，對接收光信號進行放大，光信號進入后一部分經PLL使時鐘頻率同步，一部分進入解調器，解調器的時隙時鐘由頻率同步后的時鐘提供（不需要額外的時隙同步），FPGA的主要作用是上行鏈路

4、幀同步，下行鏈路產生幀信號發(fā)送出去3。電子控制器模塊有一些控制算法功能包括穩(wěn)定光模塊等。LLST的激光器功率僅為0.5W，波長為1550nm，使用的調制方式16-ppm，速率達到了40-622Mbps，使用turobo碼信道編碼，碼率為1/2，速率為40/80/155/311Mbps時可做到0誤碼，速率622Mbps時誤碼率小于10-5。上行鏈路速度明顯小于下行，一個原因是地面接收機沒有體積質量等要求，靈敏度可以做的很高，另一個原因是大氣信道具有不對稱性，對上行鏈路的影響較大，使之誤碼率變高。圖1 （1）地面站LLGT （2）接收機在各個速率下的接收靈敏度圖2 月球探測器LLST信號處理過程

5、LLCD除了實現月地高速通信外，還實現了cm距離精度的測距功能3。1.2，LCRD項目452013美國NASA提出LCRD激光通信衛(wèi)星中繼項目（后面的數據都是預定的，還未實測），任務包括：高速地面和GEO雙向通行；GND-GEO-GND中繼實驗；驗證PPM適合深空通信和功率受限的小型星地通信，DPSK適合近地高速通信。如圖3所示，LCRD終端包括DPSK模塊、PPM模塊和光學控制模塊5。PPM模塊與LLCD的PPM模塊類似，下行將使用1/2碼率串行級聯(lián)16-PPM的turbo碼，上行4-PPM，使用硬判決方式，時鐘、速率等和LLCD一樣，調制模塊使用的是MOPA結構，CW激光器經馬赫-曾德爾調

6、制器調制后，再經二階EDFA放大到0.5W平均功率發(fā)射。接收機有前置放大器，后分三路，分別用以通信、時鐘恢復、空間跟蹤。DPSK模塊有著優(yōu)越的噪聲耐性，因而可以支持極高的速率，速率72Mbps2.88Gbps(編碼后1.25Gbps)，未來改進中有望支持10Gbps。DPSK模塊的調制過程與PPM模塊的幾乎一摸一樣，但是DPSK功率要求高，受限于EDFA平均功率，DPSK模塊只在小部分時間內發(fā)送脈沖4。DPSK解調模塊使用平衡接收和硬判決方式，與BPSK解調方式不同，DPSK不需要本地振蕩器，只需要將一部分信號光延時后與原信號干涉即可。地面站有兩個，一個是LLCD項目中的LLGT地面站，可接收

7、和發(fā)射PPM信號。另一個是OCTL地面站，可接受和發(fā)射DPSK和PPM信號。圖3 衛(wèi)星LCRD終端1.3，其他PPM項目 2009美國NASA提出MLCD6（火星激光通信演示驗證），如圖4所示，火星到地球信道衰減較大，因此將使用PPM調制方式，計劃實現1100Mbps深空高數據遠程通信，衛(wèi)星上用直徑30.5cm天線，采用CCD成像接收，發(fā)射用MOPA結構。地面采用直徑1m光學天線，4路復用，或者6路直徑30cm天線，波長1060nm。圖4 太陽系信道衰減圖SILEX78是2001年法國在GEO和LEO衛(wèi)星進行的通信實驗，通信距離4000km，調制方式為PPM，速率為50Mbps，誤碼率為10-

8、6。OPTEL9是瑞士的一個激光通信項目，短距離到長距離多個衛(wèi)星終端200080000km，速率在1.52.5Gbps之間。OPTEL-25終端：LEO-LEO，調制方式為BPSK，信號光波長1064nm功率1.25W，使用信標光瞄準捕獲，信標光波長808nm。OPTEL-u終端，星地通信衛(wèi)星，下行2X1.25Gbps，調制方式OOK，可切換至8-ppm，上行調制方式為16-PPM。2，OOK 早期的項目使用的一般是OOK，日本的LUCE、歐洲的OPTEL、美國的OPLAS使用或者部分使用OOK調制方式。2.1，OPALS項目1013 OPALS項目是美國JPL（噴氣動力實驗室）2014年實施

9、的空間站與地面站激光通信實驗，考慮到價格和風險等因素，OPALS的終端沒有使用最先進的激光通信科技，終端結構如圖5所示。OPALS的主要作用是獲得大氣干擾數據，測試連接可靠性，測試開環(huán)瞄準捕獲跟蹤的性能。 OPALS為單向通信鏈路，下行主要參數有：調制方式為OOK，速率3050Mbps，誤碼率10-4，通信波長1550nm，平均功率2.5W，傳輸距離700km。OPALS的瞄準系統(tǒng)和光學鏡頭安裝在2軸平衡架上，上面裝有等步進馬達，能夠調節(jié)110°X40°范圍的發(fā)射角度。光學模塊上有一個976nm感光相機用以捕獲和跟蹤地面信標光，還有一個瞄準儀用來發(fā)射信號光。地面站OGTL光

10、學鏡頭用以發(fā)射976nm信標光和接收1550nm信號光。標激光波長976nm，功率5W，光束角度1.7mrad。地面站和空間站通過RF通信來分析激光通信的性能。圖5 OPALS終端2.2，其他OOK項目LUCE1415（前身是第一個星地激光通信終端LCE,1995,LEO-GND，速度1.04Mbps ）是日本和歐洲早期進行的一個激光通信實驗項目。實驗結果如下：（1）2005日本和歐洲進行了GEO-LEO通信實驗，通信距離48000km，發(fā)射波長847nm，接收波長819nm，調制方式為OOK，接收速率為2.048Mbps，發(fā)射速率50Mbps，誤碼率達10-7。（2）2006年日本進行GEO

11、-GND通信實驗，在OICETS衛(wèi)星與NICT地面站間進行激光通信，發(fā)射波長847nm，接收波長819nm，調制方式為OOK，上行速率為2.048Mbps，下行速率為50Mbps，誤碼率10-7。3，PSK 歐洲的LCTSX、EDRS和美國的LCRD使用或者部分使用PSK調制方式。3.1，LCTSX項目和EDRS項目16182008年歐洲開始實施LCTSX項目及后續(xù)的EDRS項目(2014)。LCTSX項目歐洲做了三個LCT終端，兩個在衛(wèi)星站，一個在地面站。 LCTSX的LCT終端總功率120W（光傳輸功率0.7W），鏡頭鏡頭125mm，體積0.5mX0.5mX0.6m。發(fā)射機由LD泵浦源和N

12、d：YAG MISER激光器組成，LD泵浦源模塊包括兩個LD陣列，一個使用一個備用，每個陣列有多個LD，目的是提高發(fā)射機的使用壽命。如圖6（1）所示是LCT調制解調原理圖，種子光經相位調制器將電信號調制到光上，經光放大器發(fā)射到信道上。接收機是基于光學costas鎖相的BPSK零差解調系統(tǒng)，是靈敏度最高的接收系統(tǒng)。光學鎖相環(huán)需解決多普勒頻移等因素，使接收信號與本振同頻，再使用本振和接收信號光干涉，拍出RF信號，再經濾波得到RF信號。從原理圖還可以看出這些通信用光信號的另一個作用是瞄準?？紤]到GEO-GND實驗距離更遠，光衰減更大，EDRS項目的LCT終端和LCTSX的LCT終端有些不同，LCT終

13、端總功率160W（光功率2.2W），鏡頭135mm，大小0.6mX0.6mX0.7m。EDRS的GEO-GND鏈路目前先使用RF通信，因為LCT終端鏡頭大小適應LEO，對于GEO來說太小，后續(xù)將改為激光通信。相比LCTSX，EDRS提高的是通信時間和實用性。 實驗結果如下：（1）LEO-LEO實驗：TerraSAR-X衛(wèi)星與NFIRE衛(wèi)星；二相相移鍵控/零差相干解調，調制方式BPSK，波長1064nm，距離10005100km，速率 5.625Gbps（24個信道），誤碼率小于10-7。(2)LEO-GND-LEO中繼實驗： 距離1000km，上行誤碼率10-5，下行零誤碼，衛(wèi)星接收后解調，再

14、調制發(fā)射，其他數據同上。 GEO-LEO實驗（歐洲EDRS項目，2014年）： Sentinel1衛(wèi)星與Alphasat衛(wèi)星。 設計距離45000km，調制方式BPSK，速率1.8Gbps，誤碼率10-8， LCTSX的LCT終端使用PAT(瞄準，捕獲，跟蹤)建立通信，具體步驟如圖6（2）所示。OPTEL等項目的瞄準捕獲系統(tǒng)是通過使用與通信波長不同波長的廣角信標激光實現的，與這些項目不同，LCT沒有使用廣角信標激光。如圖6（2）所示，衛(wèi)星上有星歷表，先通過星歷表計算軌道，用以粗瞄準，然后LCT的通信用激光器進行空間捕獲，捕獲成功后再進行外差追蹤，對其頻率捕獲，通過光學costas鎖相環(huán)進行鎖相

15、，使本地振蕩器與信號光同頻，實現零差追蹤，最后通過零差解調系統(tǒng)實現通信功能。圖6 （1）LCT的調制解調系統(tǒng) （2）PAT系統(tǒng)3.2，其他PSK項目LCRD和OPTEL-u后續(xù)將使用DPSK調制方式。如圖7所示，從星座圖可以看出，PSK的平衡接收機靈敏度相對OOK有3dB優(yōu)勢，同時文獻中也提到歸零碼優(yōu)于不歸零碼19。而上面提到過，DPSK相對BPSK不需要本地振蕩器，也就不需要光鎖相環(huán)等結構，解調模塊簡單。圖7 OOK和DPSK的星座圖 圖8是DPSK，OOK，PPM的帶寬系數(圖中橫坐標，單位（bit/s）/Hz-1）與需要的信噪比(圖中縱坐標，PPB光子每比特)與香農極限的比較圖20。DP

16、SK（帶前置放大器）在兼顧PPB和帶寬利用率的時候性能優(yōu)越，硬判決條件下在3 光子每比特（5dB）時帶寬利用率達到了0.5bit/s/Hz，明顯優(yōu)于OOK和PPM。帶寬系數比較大時，PPM需要的光子每比特數較低，性能較好，且?guī)捪禂翟降?，PPM的階數越大性能越好。例如帶寬系數大于100時，1024-PPM優(yōu)于256-PPM優(yōu)于4-PPM優(yōu)于2-PPM。M進制ppm在功率受限時也表現良好，且隨著帶寬系數增加，越來越接近香農極限。圖8 OOK,DPSK,PPM性能對比圖上述使用PPM和OOK的項目速率一般在M級別，而使用PSK的項目速度能達到G級別，結合上面說到美國LCRD項目的任務，我們可以初步

17、判斷判斷在近地功率受限小項目以及深空（地月、地火）通信等功率受限信道中適用PPM，而近地（星地、星間）高速通信則適用DPSK。俄羅斯的SLS項目因為沒有查到通信方式，所以放到最后講下主要參數。SLS2122是2012俄羅斯航天部門在國際空間站和北高加索地面站進行的激光通信實驗。通信距離為1000km，空間站發(fā)射波長1550nm，光發(fā)射功率6W，測試傳輸速率3/125/622Mbps,連接時間小于5min；地面站發(fā)射波長850nm速率3Mbps，連接時間小于10min。4，其他空間光通信相關進展前文的項目都是星間通信或者星地通信，本節(jié)將簡要介紹星空、空地等鏈路的相關項目以及國內相關進展。4.1，

18、星空 LOLA項目23是法國2006年進行的一個星空通信實驗，由高軌道Artemis衛(wèi)星與某飛機進行激光通信實驗，通信光波長為848nm，功率僅為104mW，上行調制方式為BPPM(二進制PPM), 速率為2Mbps，下行鏈路調制方式為OOK，速率為50Mbps。飛機的飛行高度為9km，與Artermis衛(wèi)星的通信距離達到了40000km。4.2，空地OCD項目是2005年美國噴氣推進實驗室進行的一個空地激光通信項目，高空飛機飛行高度1023km，光波長1550nm，功率200mW，調制方式為OOK，速率達到了2.5Gpbs。ARGOS是2008年德國DLR航空部門在飛機與地面站之間進行的激光

19、通信實驗，距離為1085km，速率為150Mbps。2013年又進行了實驗，飛機與地面站距離大于50km，飛行速度0.7馬赫，速率達到了1.25Gbps。4.3，空空Falcon是2011年美國ITT公司進行的一個空空激光通信實驗，兩家飛機距離94132km進行激光通信，光波長1550nm，速率2.5Gbps，誤碼率10-6;4.4，地地2005年德國DLR航空部門在La Palma島嶼和Tene-rife島嶼進行了地地激光通信實驗，使用的是BPSK調制方式，通信距離為142km，速率達到了5.6Gbps；2006年美國約翰普金斯大學應用物理實驗室在飛艇和地面車載終端之間進行了激光通信實驗，通

20、信距離1.4km，使用波分復用速度達到了80Gbps24。2009年某實驗室巴黎兩個大樓進行了激光通信實驗，通信距離212m，速率達到了1.28Tbps(32路波分復用X40Gbps)25。4.5，國內相關進展國內空間激光通信進展如圖9所示26。圖9 國內空間激光通信進展 縮寫：GEO：Geosynchronous orbit，高地球軌道，2000km以上LEO：Low Earth orbit，低地球軌道，2000km以下GND：地面MOPA：主振功率放大器PAT:pointing，acquisition，tracking,瞄準，捕獲，跟蹤PPB: Photons per bit,光子每比特C

21、CD：Charge-coupled Device，CCD圖像傳感器參考文獻1Matthew E. Grein*, Andrew J. Kerman, Eric A. Dauler. An optical receiver for the Lunar Laser Communication Demonstration based on photon-counting superconducting nanowires. Proc. of SPIE Vol. 9492 949208-1,20152/267/271/Space-Terminal.htm

22、l 3M. L. Stevens, R. R. Parenti, M. M. Willis.The Lunar Laser Communication Demonstration time-of-flight measurement system: overview, on-orbit performance and ranging analysis.Proc. of SPIE Vol. 9739 973908-12,20164Bernard L. Edwards ,Dave Israel. Overview of the Laser Communications Relay Demonstr

23、ation Project. 5Bernard L Edwards, David J Israel, Donald E Whiteman. A Space Based Optical Communications Relay Architecture to Support Future NASA Science and Exploration Missions.Proc. International Conference on Space Optical Systems and Applications (ICSOS) ,2 S6-1, Kobe, Japan, May 7-9 ,20146D

24、. M. Boroson , A. Biswas, B. L. Edwards. MLCD Overview of NASAs Mars Laser Communications Demonstration System.7Zoran Sodnik, Bernhard Furch ,Hanspeter Lutz.Free-Space Laser Communication Activities in Europe: SILEX and beyond. IEEE,0-7803-9556-5/06/$20.00 , 20068T. Tolker-Nielsen,J-C. Guillen. SILE

25、X The First European Optical Communication Terminal in Orbit. EESA bulletin 96 november 19989Dreischer Thomas, Thieme Björn, Bacher Michael. OPTEL- A Compact System for Optical Downlinks from LEO Satellites10Matthew J Abrahamson, Oleg V Sindiy, Bogdan V Oaida.OPALS Mission System Operations Arc

26、hitecture for an Optical Communications Demonstration on the ISS. SpaceOps Conference,201411Bogdan V Oaida, Matthew J Abrahamson, Robert J WitoffOPALS. An Optical Communications Technology Demonstration from the International Space Station. IEEE,978-1-4673-1813-6/13/$31.00 ,201312Jessica N Bowles-Ma

27、rtinez, Baris I Erkmen, Parker A Fagrelius. A COTS-Based Technical Demonstration of Optical Communications13M. W. Wright, M. W. Wilkerson, R. R. Tang. Qualification Testing of Fiber-based Laser Transmitters and on-orbit Validation of a Commercial Laser System.ICSO,201414Takashi Jono, Yoshihisa Takay

28、ama, Nobuhiro Kura. OICETS on-orbit laser communication experiments. In Lasers and Applications in Science and Engineering, pages 610503610503. International Society for Optics and Photonics, 2006.15Ryan W. Kingsbury, Prof. Kerri L. Cahoy. Optical Communications for Small Satellites16Stefan Seel, Ha

29、rtmut Kämpfner, Frank Heine. Space to Ground Bidirectional Optical Communication Link at 5.6 Gbps and EDRS Connectivity Outlook.IEEEAC paper #1111, Version 2, Updated October 27, 201017Mark Gregory, Frank Heine, Hartmut Kämpfner. Commercial optical inter-satellite communication at high data rates.Optical Engineering 51(3), 031202 ,201218M. Gregory, F. Heine, H. Kämpfner1. Tesat Laser Communication Terminal Performance Results on 2.6Gbit Coherent Inter Satellite