国外空间激光通信技术发展分析

空间激光通信是一种利用激光束作为载波在空间进行图像、语音、信号等信息传递的通信方式。与传统微波通信相比，激光通信具有传输速率快、通信容量大、抗电磁干扰性能强、保密性高等优点，且其通信终端体积小、功耗低、实用性极高，引发各国研究热潮。空间激光通信技术的发展和突破对增强空间信息传输的实时性、安全性以及未来深空探测意义重大，有望变革未来空间通信技术发展。

一、优势与挑战并存

随着空间技术、传感技术等的发展，卫星及各种航天器所需的信息传输量呈指数级增长，目前空间通信所采用的以微波通信为主的通信手段已难以满足急剧增长的通信容量需求。空间激光通信具有较高的数据传输速率、较强的电磁抗干扰能力和安全保密性能，且激光通信设备还具有体积小、重量轻、能耗低等优点，被认为是最有潜力革新空间通信的颠覆性技术。

高数据传输速率。空间激光通信的载波频率范围为190THz～560THz，约为微波通信频率的数千倍乃至数万倍，具有巨大的宽带提升空间，可实现更高的数据传输速率，使从空间传回海量视频和高精度测量数据成为可能，对于自然灾害监测、军事通信等具有重要的战略意义。

系统终端体积小、质量轻、功耗低。相比于微波，激光的波长要短数千至上万倍。波长越短，能量越高，所受的衍射作用越小，激光所需的发射和接收天线尺寸可以成倍缩小，使得激光通信系统终端的体积、质量和功率都远远优于微波通信，高度满足空间应用对有效载荷小型化、轻量化、低功耗的要求。

抗电磁干扰能力强、安全保密性高。空间激光通信采用激光作为载波，激光光束极窄，发散角小于1mrad（毫弧度），亮度和能量密度极高，信息传递不易被其他设备捕获，且邻近卫星间的通信干扰也可忽略不计，具有较高的抗电磁干扰能力和安全保密性能。

尽管存在诸多优势，目前空间激光通信技术整体而言仍处于研究阶段，尚面临诸多技术挑战，如激光通信较为受制于激光通信终端和探测器件、大气湍流、大气衰减等因素的影响和干扰，空间激光通信所需的地面基础设施远未完备，空间激光通信高频带高宽带的技术优势尚未完全挖掘等。

二、各国掀起研究热潮

美国、欧洲、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。

（一）美国NASA加速发展空间激光通信技术

美国早期开展的“激光通信演示系统”（OCD）、“转型卫星通信系统”（TSAT）等项目研究，为后期技术发展奠定了良好的技术基础。近年来，美国国家航空航天局（NASA）尤为重视空间激光通信技术发展，并将其作为重要优先事项，加速推进空间激光通信技术的发展和成熟，使近地任务和深空任务的空间通信更为高效，以解决未来空间飞行任务面临的海量数据传输问题。

“月球激光通信演示验证”项目。美国NASA于2013年10月成功开展了“月球激光通信演示验证”（LLCD）项目，从月球轨道与多个地面站分别进行了双向激光通信试验，创造了622兆比特/秒的下行数据传输速率新记录，上行数据传输速率也达到20兆比特/秒，首次验证了空间激光通信系统的可行性以及系统在空间环境中的可生存性。

“激光通信中继演示验证”项目。美国NASA正在开展的“激光通信中继演示验证”（LCRD）项目主要用于验证激光通信技术的有效性和可靠性等。该系统包括2个地球同步轨道星载激光通信终端和2个地面激光通信终端。NASA计划于2019年发射星载激光通信终端至地球同步轨道，开展为期2年的激光通信中继演示验证任务。任务中，位于美国加州的地面站将向距地约3.6万千米的地球同步轨道星载激光通信终端发射激光信号，随后地球同步轨道星载激光通信终端将信号中继到另一个地面站。目前，NASA“激光通信中继演示”系统已成功通过关键决策点评审，进入开发整合与测试阶段。

“深空光学通信”项目。“深空光学通信”（DSOC）项目通信距离比“激光通信中继演示验证”项目更远，致力于研究激光通信对于深空任务数据速率、占用空间和功耗的改进作用。“深空光学通信”系统激光通信装置预计于2023年搭载NASA“普赛克”航天器飞抵一颗由金属元素组成的小行星，届时将对激光通信技术进行测试。

“一体化射频与光学通信”项目。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。

（二）欧空局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，项目取得的极大成功给了欧空局极大的信心。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，并以商业模式运营。近年来，“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。

“欧洲数据中继系统”是由欧空局和空客防务与航天公司在“公私合作伙伴关系”（PPP）机制下共同研发的世界首个独立运行的商业化空间激光通信系统， 其中欧空局负责系统研发，空客防务与航天公司作为项目主承包商负责系统的建造、发射和运营。“欧洲数据中继系统”通过采用激光通信技术在地球静止轨道为近地轨道卫星、机载平台向欧洲地面站近实时地中继传输大量数据。“欧洲数据中继系统” 一期系统的空间段包括两个地球静止轨道节点，分别是EDRS-A数据中继有效载荷和配置了数据中继有效载荷的EDRS-C专用卫星。

“欧洲数据中继系统”的首个激光通信中继载荷EDRS-A已于2016年1月30日成功发射，迈出了构建全球首个卫星激光通信业务化运行系统的重要一步。EDRS-A可提供激光和Ka波段两种双向星间链路，星间传输速率可达1.8吉比特/秒。在完成一系列在轨测试后，EDRS-A于2016年6月成功传输了欧洲“哨兵”1A雷达卫星的图像，并于2016年7月进入业务运行阶段。EDRS-A载荷实现在轨服务，表明欧洲已率先实现星间高速激光通信技术的业务化应用，是近年来欧洲航天技术快速发展的一个重要里程碑。

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。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地面站的依赖，保持空间通信的战略独立性。欧空局认为，美国防部及其无人机机队将是EDRS未来的主要市场。

转载请注明：北纬40° » 国外空间激光通信技术发展分析