1.2 空间激光通信技术发展现状

1.2.1 国外空间激光通信发展现状

空间激光通信技术在40 多年来受到各国的重视并得到了长足的发展，美国、俄罗斯、日本、欧洲等发达国家或地区投入了大量的资金和人力进行了全面的理论研究、仿真模拟、关键技术攻关、原理样机研制等研究工作，主要有美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）、美国喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）、麻省理工学院林肯实验室（Lincoln Laboratory， Massachusetts Institute of Technology）、加州理工大学（California Institute of Technology）、俄罗斯能源火箭航天集团（Russian Energy Rocket Space Corporation）、俄罗斯科学院（Russian Academy of Sciences）、日本宇宙航空研究开发机构（Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA）、日本国家信息通信技术研究所（National Institute of Information and Communications Technology，NICT）、欧洲航天局（European Space Agency，ESA）、德国航空航天中心（Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt， DLR）等研究机构，并开展了地地、星地、空地、空空、星空和深空等多种传输链路的演示验证试验，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的研究，不仅突破了空间激光通信中的诸多关键技术，还开发出多种链路形式的激光通信终端，并成功完成多项在轨试验，技术基本成熟，已经开始规划建设可覆盖全球的空间激光通信网络。数据传输速率也由初期演示验证的1.024 Mbit/s、50 Mbit/s跃变到目前的10 Gbit/s量级，在未来5～10年的空间激光通信计划中，数据传输速率会高达100 Gbit/s，超越传统的射频通信数据传输速率的理论极限，逐渐成为载人航天、探月工程、火星探测以及对地观测信息传输与交换的重要解决方案。20世纪70年代至今，国外进行的重要空间激光通信演示验证试验见表1-1。

1.2.2 国外机载激光通信发展现状

机载平台是扩展激光通信应用空间的一个优良载体。相对于空间和地面平台，它具有移动速度快、振动大等特点，并且对载荷有严格的尺寸、质量和功耗要求。因此，机载激光通信系统的研制具有较大难度[1]。随着人们对激光通信技术研究的逐渐深入，研制实用的机载激光通信系统已经成为一种趋势，对机载激光通信系统的需求也在逐渐提升。

美国空军研究实验室（Air Force Research Laboratory，AFRL）从20世纪70年代就开始进行机载激光通信技术的研究[2]。经过多年的研究，AFRL 证明了机载激光通信的可能性，并且研制了多个激光通信终端。此外，JPL[3]、麻省理工学院林肯实验室[4]、DLR[5]、美国海军研究实验室（United States Naval Research Laboratory， NRL）[6]、美国通用原子航空系统公司（General Atomics Aeronautical Systems Inc.， GA-ASI）和美国国防部高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）均对机载激光通信技术进行了深入研究。美国GA-ASI机载激光通信系统外观如图1-1所示。

1.机载飞行测试系统（AFTS）

麦道公司（McDonnell Douglas Corporation）在1970年展示了1 Gbit/s的激光通信桌面试验系统，获得 AFRL 支持开始研制空间飞行测试系统（Spaceborne Flight Test System，SFTS）。后来，由于支持资金大幅减少，空间系统变为了机载系统，即机载飞行测试系统（Airborne Flight Test System，AFTS）。麦道公司在原方案的基础上添加了遮光罩和跟踪相机等设备，并于1980年在白沙靶场搭载KC-135飞机进行了试验，第一次成功演示了机载对地激光通信系统。

2.机载激光通信系统（ALCoS）

美国GA-ASI宣布成功对其机载激光通信系统（Airborne Laser Communication System，ALCoS）进行了地面测试，该系统设计用于该公司的中高度、长航时无人驾驶飞行器（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）。ALCoS系统的数据传输能力是传统射频卫星通信系统数据传输能力的300倍，它可以作为前向部署力量的联合天线网络的入口，并可以在1 064 nm和1 550 nm两个波段工作。

3.侦察/智能交互链路（RILC）

在20世纪90年代，美国弹道导弹防御组织（Ballistic Missile Defense Organization，BMDO）支持了多个项目研究空间激光通信系统。1994年9月，ThermoTrex公司研制的地面激光通信端机通过了实验验证，在海拔1 000 ft、相距150 km的距离上实现了1.12 Gbit/s的双向激光通信。从1995年开始，AFRL支持ThermoTrex公司研发新一代机载激光通信系统——侦察/智能交互链路（Recce-Intel Cross Link， RILC）。系统的目标是在12 km的高空实现距离50～500 km的飞机间1 Gbit/s的双向激光通信。RILC光学系统结构如图1-2所示。

4.快速机载激光通信光学节点（FALCON）

为了避免像RILC一样出现器件过时的情况，2003年，AFRL开始了一个全新的项目——电光传感器技术与评估研究（EO Sensor Technology and Evaluation Research，ES-TER）。这个项目的目的是尽量利用商用技术和货架产品来研发机载激光通信节点。这个项目中的光通信端机被称为快速机载激光通信光学节点（Fast Airborne Laser Communications Optical Node，FALCON）。该端机系统工作在1 550 nm波段，而工作方式则是在12 km的高空、相距100 km的距离以低于10−6的误码率进行2.5 Gbit/s的双工通信。FALCON的光学系统结构如图1-3所示。

5.光射频通信链路试验（ORCLE）

美军首个专门研究自由空间光通信（Free-Space Optical，FSO）与射频通信混合应用的项目是美国DARPA发起的光射频通信链路试验（Optical RF Communications Link Experiment，ORCLE）计划，主要研究射频和FSO通信节点混合组网应用的可行性以及必需的组网和物理层技术[9]。

ORCLE计划提出的FSO与射频通信混合应用系统概念并非简单地把射频传输转换成FSO传输，而是能够根据所传送消息的大小和环境的不同，选择最高效的方式发送消息。也就是说，FSO 信道和射频信道都随时可用，工作时根据传输需求灵活选择最佳的信道，并且在ORCLE网络中通过FSO信道进行高数据率传输的同时，网络中其他数据可通过射频信道传输，真正实现光和射频通信链路智能化的混合应用。

ORCLE计划利用射频和FSO混合通信链路演示了包含飞机与飞机之间（空空）和飞机与地面单元之间（空地）的通信传输链路，其中，FSO数据链的通信数据率为2.5 Gbit/s，而射频战术通用数据链（TCDL）的数据率则为45 Mbit/s。

6.自由空间实验激光终端（FELT）

ESA 从 2003 年开始进行空间平台网络宽带通信传输（Communications from Aerial Platform Networks Delivering Broadband Information for All，CAPANINA）试验项目，旨在通过高空平台为60 km之内的用户提供高达120 Mbit/s的无线通信速率。2005年8月30日，在气球实验中，第一次从高度为20 km的平流层向距离64.3 km的地面成功发送传输速率为1.25 Gbit/s的数据，误码率低于10−9。CAPANINA试验使用的终端称为自由空间实验激光终端（Free-Space Experimental Laser Terminal， FELT），它是一个单工工作（下传）的通信链路。FELT系统外观如图1-4所示。

FELT和可运输光学地面站（Transportable Optical Grand Station，TOGS）的原理如图1-5所示，FELT的光学系统包含一个口径为22 mm、焦距为75 mm、视场角为4°的跟踪相机以及3个小口径的激光发射系统（双信标冗余设计）。收发在空间上是分离的，但是共用一个通光口径为50 mm的跟踪结构。系统使用三明治结构碳纤维腔体进行被动隔热，当腔体外部温度为−65 ℃时，大多数内部元件温度仍然保持在20～30 ℃。由于碳纤维的使用，整机质量仅为17.5 kg，功耗小于75 W。

7.平流层光学负载试验（STROPEX）

与FELT类似，平流层光学负载试验（Stratospheric Optical Payload Experiment， STROPEX）项目也是CAPANINA项目的一部分，STROPEX通信链路系统结构如图1-6所示，主要是为了获取大气湍流条件下折射率结构的参数数据，同时也希望获取系统设计和装调测试、捕获对准跟踪系统以及平流层空间平台下行激光传输链路的性能参数。

8.海军实验室微型双模光学询问器（μDMOI）

1998年，NRL开始进行调制反射镜（Modulating Retro-Reflector，MRR）技术的研究。利用量子阱调制器制作的猫眼型MRR，NRL实现了7 km距离、45 Mbit/s传输速率的单向通信。MRR具有大视场，并且不需要激光器，具有质量轻、体积小的优势，十分适合于短距离、低成本通信。

与 MRR 配合工作的是 NovSol 公司生产的双模光学询问器（Dual Mode Optical Interrogator，DMOI），但DMOI本身不具备装载在无人机上的条件。因此，NRL从2012年开始论证微型激光通信模块，并将其命名为μDMOI。μDMOI以Cloud Cap技术公司生产的TASE300平台为载体，该平台的体积和质量小，十分适合于无人机。

机载μDMOI可以与地面DMOI进行25 km距离、155 Mbit/s传输速率的通信，还可以与MRR进行1 km距离、2 Mbit/s传输速率的通信。μDMOI的发射口径为1.27 cm，使用0.5 W、1 550 nm激光，发散角为1.5 mrad。接收口径为5.08 cm，使用9:1分光棱镜将接收光分给雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode，APD）和位置敏感器件（Position Sensitive Device，PSD）。由于发射和接收视场都较大，只使用粗跟踪就可以进行通信。这种简单实用的设计，适合于中短距离低速通信。μDMOI接收系统结构如图1-7所示。

虽然国外机载激光通信发展了40多年，完成了一些端机及系统试验，但是距实用还有一定距离。国内的机载激光通信由于发展时间短，在系统指标和单元技术方面都与国外水平存在较大差距，要赶上国外水平还有许多工作要做，可以针对各项关键技术展开攻关，逐步开发具有竞争力的实用系统。

随着研究的逐步深入，机载激光通信系统未来的应用领域将会不断扩展。机载激光通信正在从军事应用（如区域监视、战场侦察和态势感知）向民用领域（如空中组网、星地中继和局域网通信）等方向发展。机载平台也出现多样化，向无人机、高空气球、临近空间飞行器等方向发展。机载激光通信的场景从空−地、空−空向空−海、空−天扩展。为了适应新的使用条件和未来激光组网的要求，机载激光通信系统将会向小型化、集成化、多元化发展。在未来的信息化战争中，机载激光通信将会成为必不可少的通信手段。

1.2.3 国内激光通信发展现状

在空间激光通信技术研究方面，我国的研究起步较晚，但是国家对于空间激光通信研究非常重视。据不完全统计，国内已有哈尔滨工业大学、电子科技大学、长春理工大学、空军工程大学、中国科学院上海光学精密机械研究所、中国科学院西安光学精密机械研究所等多所高等院校和科研院所开展了空间激光通信技术与系统研究。从“九五”计划至今，先后开展了空间激光通信基本概念和基础理论的研究、实验系统设计、性能仿真验证、终端设计和样机研制、不同链路（地地、空空、空地、星地等）激光链路演示验证试验，取得了丰硕的成果。

哈尔滨工业大学是国内较早开展空间激光通信技术研究的单位，现有星地激光通信技术国防重点学科实验室，其研究的星地激光通信原理样机于2007年通过实验室测试，并于2011年进行了海洋2号卫星对地（长春站）通信试验，于2017年开展了国际首次同步卫星与地面双向高速激光通信试验。电子科技大学在星地大气激光通信和相关激光通信技术体制研究方面，中国科学院光电技术研究所在跟踪瞄准技术方面，中国科学院上海光学精密机械研究所在光调制解调技术方面，中国科学院西安光学精密机械研究所在光交换网络方面，北京大学在高稳频窄线宽激光光源研制方面，中国航天科技集团有限公司第五研究院西安分院在激光终端集成测试方面，均形成了自己的特色。

长春理工大学拥有国家发展和改革委员会授予的“空间光电技术国家地方联合工程研究中心”和国防科学技术工业委员会授予的“空地激光通信技术国防重点学科实验室”平台，在航空平台和地面平台的激光通信技术与系统研究方面具有明显的特色优势。

2007年，长春理工大学成功开展了国内首次地面动态远距离、高速率激光通信演示验证。2011 年，长春理工大学成功开展了国内首次直升机−直升机间双端动态激光通信演示验证。2013年，又进行了国内首次两固定翼飞机间远距离、高速率水平信道激光通信试验验证，在相距144 km以上的两架Y-12飞机之间，实现了动态平台条件下通信视轴的快速对准、高精度跟踪和高速率（2.5 Gbit/s）、低误码率（10−6）的数据传输。

2016年，我国墨子号量子科学实验卫星搭载中国科学院上海技术物理研究所研制的激光通信终端，在对地通信距离为 1 000 km 且有大气干扰的条件下，达到了5.12 Gbit/s的通信速率。近年来，我国科研人员不断奋进攻坚，突破了关键技术难题，使激光通信技术在短时间取得了跨越式的发展，为空间激光通信组网技术的发展起到了巨大推动作用。

2017年4月12日，实践13号卫星（又名中星16号卫星）成功发射，正式标志着我国第一颗基于 GEO 卫星的激光通信进入实验阶段。目前，该卫星已经与链路距离为42 000 km的高轨卫星以及地面通信站之间完成了激光通信试验，数据发送能力为5 Gbit/s。此后，该卫星还将继续与搭载着相同光端机的低轨卫星完成高轨卫星与低轨卫星之间的一系列激光通信组网体制试验任务。

2020年4月，实践20号卫星搭载的我国首套高速高阶相干激光通信终端在轨圆满完成第一阶段试验任务，首次在轨验证了正交相移键控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）相干体制的激光通信，传输速率高达10 Gbit/s，是我国当前卫星激光通信的最高速率。本次星地通信试验完成了在轨自校准、快速高精度捕跟、超高速星地相干通信等关键技术验证工作，全面验证了高速高阶相干体制应用于卫星激光通信的可行性，实现了我国首个在轨验证的QPSK相干体制激光通信最高码速率，技术指标达到了世界先进水平。国内空间激光通信试验开展情况见表1-2。