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國外空間激光通信技術發展分析

2017-12-18
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  空間激光通信是一種利用激光束作為載波在空間進行圖像、語音、信號等信息傳遞的通信方式。與傳統微波通信相比,激光通信具有傳輸速率快、通信容量大、抗電磁干擾性能強、保密性高等優點,且其通信終端體積小、功耗低、實用性極高,引發各國研究熱潮??臻g激光通信技術的發展和突破對增強空間信息傳輸的實時性、安全性以及未來深空探測意義重大,有望變革未來空間通信技術發展。


  隨著空間技術、傳感技術等的發展,衛星及各種航天器所需的信息傳輸量呈指數級增長,目前空間通信所采用的以微波通信為主的通信手段已難以滿足急劇增長的通信容量需求??臻g激光通信具有較高的數據傳輸速率、較強的電磁抗干擾能力和安全保密性能,且激光通信設備還具有體積小、重量輕、能耗低等優點,被認為是最有潛力革新空間通信的顛覆性技術。

  高數據傳輸速率??臻g激光通信的載波頻率范圍為190THz~560THz,約為微波通信頻率的數千倍乃至數萬倍,具有巨大的寬帶提升空間,可實現更高的數據傳輸速率,使從空間傳回海量視頻和高精度測量數據成為可能,對于自然災害監測、軍事通信等具有重要的戰略意義。

  系統終端體積小、質量輕、功耗低。相比于微波,激光的波長要短數千至上萬倍。波長越短,能量越高,所受的衍射作用越小,激光所需的發射和接收天線尺寸可以成倍縮小,使得激光通信系統終端的體積、質量和功率都遠遠優于微波通信,高度滿足空間應用對有效載荷小型化、輕量化、低功耗的要求。

抗電磁干擾能力強、安全保密性高??臻g激光通信采用激光作為載波,激光光束極窄,發散角小于1mrad(毫弧度),亮度和能量密度極高,信息傳遞不易被其他設備捕獲,且鄰近衛星間的通信干擾也可忽略不計,具有較高的抗電磁干擾能力和安全保密性能。

  盡管存在諸多優勢,目前空間激光通信技術整體而言仍處于研究階段,尚面臨諸多技術挑戰,如激光通信較為受制于激光通信終端和探測器件、大氣湍流、大氣衰減等因素的影響和干擾,空間激光通信所需的地面基礎設施遠未完備,空間激光通信高頻帶高寬帶的技術優勢尚未完全挖掘等。

  美國、歐洲、日本等均在空間激光通信技術領域投入巨資進行相關技術研究和在軌試驗,對空間激光通信系統所涉及的各項關鍵技術展開了全面深入地研究,不斷推動空間激光通信技術邁向工程實用化。


(一)美國NASA加速發展空間激光通信技術

  美國早期開展的“激光通信演示系統”(OCD)、“轉型衛星通信系統”(TSAT)等項目研究,為后期技術發展奠定了良好的技術基礎。近年來,美國國家航空航天局(NASA)尤為重視空間激光通信技術發展,并將其作為重要優先事項,加速推進空間激光通信技術的發展和成熟,使近地任務和深空任務的空間通信更為高效,以解決未來空間飛行任務面臨的海量數據傳輸問題。

  “月球激光通信演示驗證”項目。美國NASA于2013年10月成功開展了“月球激光通信演示驗證”(LLCD)項目,從月球軌道與多個地面站分別進行了雙向激光通信試驗,創造了622兆比特/秒的下行數據傳輸速率新記錄,上行數據傳輸速率也達到20兆比特/秒,首次驗證了空間激光通信系統的可行性以及系統在空間環境中的可生存性。

  “激光通信中繼演示驗證”項目。美國NASA正在開展的“激光通信中繼演示驗證”(LCRD)項目主要用于驗證激光通信技術的有效性和可靠性等。該系統包括2個地球同步軌道星載激光通信終端和2個地面激光通信終端。NASA計劃于2019年發射星載激光通信終端至地球同步軌道,開展為期2年的激光通信中繼演示驗證任務。任務中,位于美國加州的地面站將向距地約3.6萬千米的地球同步軌道星載激光通信終端發射激光信號,隨后地球同步軌道星載激光通信終端將信號中繼到另一個地面站。目前,NASA“激光通信中繼演示”系統已成功通過關鍵決策點評審,進入開發整合與測試階段。

  “深空光學通信”項目?!吧羁展鈱W通信”(DSOC)項目通信距離比“激光通信中繼演示驗證”項目更遠,致力于研究激光通信對于深空任務數據速率、占用空間和功耗的改進作用?!吧羁展鈱W通信”系統激光通信裝置預計于2023年搭載NASA“普賽克”航天器飛抵一顆由金屬元素組成的小行星,屆時將對激光通信技術進行測試。

  “一體化射頻與光學通信”項目。NASA格倫研究中心團隊正在開展“一體化射頻與光學通信”(IROC)概念研究,計劃向火星軌道發送一顆激光通信中繼衛星,用于接收遠距離航天器的數據并將數據中繼至地球?!耙惑w化射頻與光學通信”系統將使用射頻和激光集成通信系統,既可為使用激光通信系統的新型航天器提供服務,也可為使用射頻通信系統的傳統航天器提供服務,將有效促進NASA所有空間資產間的互操作性。


(二)歐空局重點推進激光通信系統商業化運營

  歐空局(ESA)早期實施的“半導體激光星間鏈路試驗”(SILEX)等項目首次驗證了低地球軌道(LEO)至地球同步軌道(GEO)的星間通信,項目取得的極大成功給了歐空局極大的信心。2008年底,歐空局決定在其“歐洲數據中繼系統”(EDRS)中應用激光通信終端,以促進空間激光通信系統的研發和實施達到成熟階段,并以商業模式運營。近年來,“歐洲數據中繼系統”取得了一系列突破性進展,成為世界上首個商業化運營的高速率空間激光通信系統。

  “歐洲數據中繼系統”是由歐空局和空客防務與航天公司在“公私合作伙伴關系”(PPP)機制下共同研發的世界首個獨立運行的商業化空間激光通信系統, 其中歐空局負責系統研發,空客防務與航天公司作為項目主承包商負責系統的建造、發射和運營?!皻W洲數據中繼系統”通過采用激光通信技術在地球靜止軌道為近地軌道衛星、機載平臺向歐洲地面站近實時地中繼傳輸大量數據?!皻W洲數據中繼系統” 一期系統的空間段包括兩個地球靜止軌道節點,分別是EDRS-A數據中繼有效載荷和配置了數據中繼有效載荷的EDRS-C專用衛星。

  “歐洲數據中繼系統”的首個激光通信中繼載荷EDRS-A已于2016年1月30日成功發射,邁出了構建全球首個衛星激光通信業務化運行系統的重要一步。EDRS-A可提供激光和Ka波段兩種雙向星間鏈路,星間傳輸速率可達1.8吉比特/秒。在完成一系列在軌測試后,EDRS-A于2016年6月成功傳輸了歐洲“哨兵”1A雷達衛星的圖像,并于2016年7月進入業務運行階段。EDRS-A載荷實現在軌服務,表明歐洲已率先實現星間高速激光通信技術的業務化應用,是近年來歐洲航天技術快速發展的一個重要里程碑。

  歐空局計劃在2020年擴展成為全球覆蓋系統,形成以激光數據中繼衛星與載荷為骨干的天基信息網,實現衛星、空中平臺觀測數據的近實時傳輸。EDRS不僅將滿足歐洲航天活動對空間數據傳輸速率、傳輸量和實時性日益增長的需求,更將使歐洲擺脫對非歐地面站的依賴,保持空間通信的戰略獨立性。歐空局認為,美國防部及其無人機機隊將是EDRS未來的主要市場。


(三)日本致力于激光通信終端小型化研究

  日本主要采取國際合作的方式進行空間激光通信技術研究,早期開展的“地面軌道間激光通信演示驗證”(GOLD)等項目取得了巨大的成功,實現了世界首次低軌衛星與地面站及移動光學地面站之間的激光通信試驗。近年來,為保持空間激光通信技術方面的優勢,日本開始向激光通信終端小型化、輕量化、低功耗方向發展。

“空間光通信研究先進技術衛星”計劃。日本“空間光通信研究先進技術衛星”(SOCRATES)計劃旨在驗證適用于50千克級小衛星的“小型光學通信終端”(SOTA)。2014年5月,“小型光學通信終端”搭載低軌小衛星發射入軌,并于2014年8月至11月間成功開展了低軌衛星對地激光通信試驗?!靶⌒凸鈱W通信終端”總質量僅為5.8千克,最遠通信距離達1000千米,下行通信速率10兆比特/秒,可構建絕對安全的全球光通信網絡,使得飛機、衛星收集的高分辨率圖像數據可通過空間激光通信鏈路下傳至地面站。

  “激光數據中繼衛星”計劃。日本2015年1月9日公布的新版《宇宙基本計劃》將“激光數據中繼衛星”計劃正式列入其中,并于2015財年下撥了32.08億日元作為啟動經費。日本計劃2019年發射“激光數據中繼衛星”,將當前數據中繼系統的微波鏈路替換為激光鏈路,通過激光實現先進光學衛星等新一代高分辨率對地觀測衛星之間的通信,預設通信速率達2.5吉比特/秒,屆時將使日本獲得更高速的實時觀測能力。

  空間激光通信的高速率和高安全性將不斷滿足航天活動對空間數據傳輸速率、傳輸量和實時性日益增長的需求,必將使其成為未來空間通信的主要形式。深入挖掘和利用空間激光通信蘊含的巨大應用價值,對增強當前空間信息傳輸的實時性、安全性以及未來深空探測意義重大。


(一)滿足信息化戰爭對通信帶寬不斷增長的需求

  現代信息化戰爭對通信帶寬的需求越來越大,如戰場遙感測繪信息、實時戰斗高清圖像、強干擾復雜電磁環境下的指令交互等無一例外需要穩定的信息傳輸技術做保障,使得對通信系統帶寬資源需求急劇增長。傳統微波衛星通信系統由于成本高昂,且衛星軌道資源和頻譜資源日益緊缺,難以滿足作戰人員獲取實時戰場態勢數據的迫切需求??臻g激光通信系統具有巨大的帶寬提升空間,可實現更高的數據傳輸速率,能夠充分保證戰場海量信息的實時性傳輸。同時,激光收發裝置和信號處理裝置體積小、重量輕、功耗低,星上配備多個激光收發裝置具備可行性,為后續發展多天線激光通信技術奠定基礎,從而可進一步提升數據傳輸速率,保證戰場信息的及時傳輸。


(二)保證戰場數據傳輸的安全性和穩定性

  戰場數據傳輸的安全性和穩定性對于確保作戰單元信息優勢的全程獲取和作戰效能的充分發揮至關重要。傳統的微波通信技術由于頻譜規劃的公開性以及信號旁瓣泄露問題,使得敵方極易通過信號偵收設備進行信號的分析和破解,造成安全隱患。同時,成熟的高功率寬帶電磁脈沖技術也會使傳統的衛星通信技術在戰場上被干擾,失去戰場制信息權??臻g激光通信具有高安全性特點,很難被竊取和干擾,完全避免了傳統微波通信技術存在的不足,其極強的方向性波束使得信號的泄露幾乎可以忽略不計,且激光通信的高頻率和高帶寬也將使傳統的干擾壓制手段失效。


(三)實現近地任務和深空任務高效空間通信

  激光通信技術有望使數據傳輸速率比射頻通信提高至少10~100倍,可在從低地球軌道到星際的所有空間區域中大幅提高數據傳輸速率,使近地任務和深空任務的空間通信更加高效。更高的數據傳輸速率意味著未來能從太陽系內任何位置傳輸直播視頻,還可增加載人深空探索任務的通信帶寬,從而幫助研究人員更快地采集科學數據,研究塵暴或航天器著陸等突發事件,甚至從其他行星表面發送視頻??梢韵胂?,空間激光通信網絡一旦建立,人類或將開啟至月球的快速可靠的數據連接網絡,甚至還可以連接至火星和更遙遠的星球,為人類征服遙遠的星辰提供重要的通信支持。


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