科学研究动态监测快报2008-6

科学研究动态监测快报

2008年3月1日 第5期（总第18期）

空间光电科技专辑

（天基激光通信技术专题）

中国科学院高技术研究与发展局

中国科学院规划战略局 中国科学院国家科学图书馆

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邮编：100190 电话：(010) 82629178 电子邮件：wanghx@mail.las.ac.cn

空间光电科技专辑 2008年第5期（总第18期）

目 录 专 题 现代通信领域新热点：天基激光通信系统及技术发展....................1 研究进展 日本光学轨道通信工程试验卫星（OICETS）概况........................10 欧空局光学地面站（OGS）十年回顾..............................................14 前沿技术 NASA的星间激光通信数据率欲提高30dB....................................17 星—地通信演示中OICETS光学终端的跟踪与瞄准特性..............21 超长距离自由空间激光通信..............................................................23 短 讯 法国国防采购局开展实时LOLA示范验证.....................................25 美国空军TSAT激光通信系统初步达到任务级要求......................27 美学者呼吁国会和五角大楼继续支持TSAT计划..........................27 出版日期：2008年3月1日

专 题

现代通信领域新热点：天基激光通信系统及技术发展

编者按：经过多年探索，随着技术的发展，采用高频激光进行空间卫星通信已于近年取得突破性进展，并逐渐成为现代通信技术发展的新热点。本文将简要介绍目前国外天基激光通信系统的发展概况和关键技术及最新进展。

随着空间技术的发展，卫星通信在全球通信中发挥了重要的作用。卫星系统的体积更小，通信性能更好将成为未来的发展趋势。采用波长极短的光波进行通信是实现高码率通信的最佳方案。由于激光单色性好、方向性强及功率密度大等良好的光束特性，引导人们探索和实现以激光光波为载体的通信，即激光通信。

空间激光通信利用人造地球卫星作为中继站转发激光信号，实现在多个卫星之间以及卫星与地面设备之间的通信。由于卫星光通信具有诸多优点，特别是最近十几年来，美国、欧空局（ESA）各成员国、日本等国都对卫星光通信技术极其重视，投入大量的人力、物力进行相关技术的研究和空间光通信实验装置的开发，对卫星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。

1 国外天基激光通信系统发展概况

1.1 欧洲

欧洲空间激光通信的发展基于欧洲各国的合作，ESA在卫星激光通信的研究方面也投入了大量资金，先后研制了以不同星间链路为背景的一系列卫星激光通信终端，如SILEX和SOUT。2001年11月21日SILEX系统顺利建立了激光通信链路，实现了50 Mbit/s速率的激光通信试验。这是世界上进行的首次星间激光链路试验。ESA在星间、星地激光链路系统设计竞争中处于优势地位，特别是其在10 nm领域的研究在世界上已明显处于优势。 1.2 日本

日本于1995年在世界上首次成功进行了星地激光通信试验。日本空间发展局（NASDA）研制的LCE激光通信试验系统于1996年成功地进行了双向激光通信试验。NASDA还研制了专门的激光通信试验卫星OICETS，计划与欧空局的ARTEMIS之间进行激光通信实验。 1.3 美国

美国是世界上开展空间光通信研究最早的国家之一，研究工作经过了地面演示验证、关键技术研究以及星间和星地空间激光通信试验过程，已经实施了多个有关卫星激光通信的研究计划，研制了多个卫星激光通信实验终端，如NASA支持的LCDS、MIT林肯实验室的LITE系统；NASA的喷气推进实验室（JPL）已研制成功的2×600 Mbps卫星激光通信终端；美方BMDO建立了低轨卫星—地面站激光链

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路终端，数据率为1 Gbps，并在积极进行小卫星星座中激光星间链路终端的研制。 1.4 俄罗斯

俄罗斯在星间激光通信方面也取得了较好的成果，俄罗斯的星间激光数据传输系统（ILDTS）已用于载人空间站、飞行器等。

目前国际上已完成了空间激光通信链路的概念研究，关键技术和核心部件均已解决，实现了低轨卫星对同步卫星的低、中码速率激光通信试验并进行了低轨卫星对地面站的激光通信试验。这些通信试验系统达到了高捕获概率、短捕获时间、抗多种干扰的高灵敏度动态跟踪瞄准和较高的数据传输速率，同时研制了激光链路系统评估测试平台及分析、仿真软件。国外激光通信系统研究的概况见表l和图1。国外已完成和正在研究的几个激光通信系统的性能参数概况见表2。

从上述总结可以看出，2000年之前天基激光通信的研究发展主要集中在美国以

表1 国外激光通信系统研究情况

国别

研究机构

STRV-2

10Gbps高速调制及量子接收

系统名称

美国 BMD0

美国 Lincoln Lab/MIT 美国

美国宇航局 C02激光和光泵浦的Nd:YAG激光空间通信系统，激光通

信演示系统LCDS，光通信演示系统OCD，空对地演示系统，大气能见度检测计划

美国 Lincoln ＆ NASA NASA-ACCS通信卫星演示系统，SIR-C，TDRSS，DOD，TOPSAT系统

美国 JPL 高能（3.5W）Nd:YAG激光通信设备，激光通信验证设备

美国 美国 日本

美国空军 LITE 美国防部 日本空间发展局（NASDA）

激光通信系统（LCS）

LUCE，计划实现GEO-LEO，GE0-GEO（ILC）

日本 邮政省通信研究实验室 LCE初步实现地面站-GEO的通信

实现GEO-LEO的SILEX系统、激光通信技术和光学地面站（OGS）

欧洲 ESA

英国 皇家空军DMA研究所 LEO数据中继网络的实现

用于星际连接的半导体高传输率外差系统 空间通信天线设计

二极管泵浦的Nd:YAG激光器相关探测技术

二极管泵浦的Nd:YAG激光器的空间光通信试验装置

加拿大 MPA技术公司 法国

欧洲航天署

意大利 FIAR 德国 RGKT

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及一些国际性组织，如ESA；从2001年开始不断涌现出新型激光通信系统，表明国际上在天基激光通信技术研究领域逐渐加强国际合作的策略和趋势。

图1 天基激光通信的发展历史

2 国外激光通信系统关键技术及最新进展

天基激光通信的历史技术挑战包括： 󰂋 空间捕获和跟踪

— 最开始的不确定性需要在超过105个光斑范围内进行搜索 — 太空船/卫星（space craft）的振动可能达到几百个波束宽度 — 超前瞄准（Point-ahead）要求1-10波束宽度 󰂋 不规则的（rugged）光电-机械-热（光机热）设计 󰂋 成熟技术

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包括激光器，放大器，调节器和高效的探测结构。 2.1 高功率激光器技术

在空间光通信系统中，一般要求光发射机输出功率大且调制速率高。光源一般采用半导体激光器或半导体泵浦的YAG固体激光器，既可作为信号光源，也可作为信标光源。工作波长为0.8-1.5 μm近红外波段。可采用大功率单管或多管芯阵列组合以提高功率。

目前用于星上的激光器研究主要集中800 nm、1000 nm、1550 nm波长的半导体激光器、固体激光器和光纤激光器。在已进行的星间、星—地试验中几乎都采用半

表2 国外激光通信系统主要性能参数概况

系统名称 国别

SILEX 欧洲（ESA）

LCE 日本

SOTT 欧洲（ESA）

应用范围 GEO-LEO 星—地 GEO-LEO搭载卫星 ARTENMIS-SPOT4

ETS-VI

— LD（2 W）

LEO-LEO

— Nd:YAG （1 W） SOLACOS 德国

SROIL 欧洲（ESA） LEO星座 —

小卫星 — BLISL 以—德

激光输出功率 120 mW 18.3 mW

1.2 W

Nd:YAG 0.5-2 W

调制方式 IM/DD IM/DD IM/DD IM/外差 BPSK IM/DD 波长（nm） 797-853 830 850 10 — 1550 波长稳定度（nm） 码速率（Mbit/s）

— — — — — 0.3

50 1.024 1000 650 1200 1000

— — — 10-6

10-9

误码率（BER） 10-6

焦距（nm） — 星上天线直径（mm） 信号光宽度（μrad） 信标光宽度（μrad） 通信距离（km）

— — — — 500

250 75 200 150 40 120

10-16 30 — — — 50

750 60 — — — 500

45000 — — — 6000 8000

质量（kg） — 22.9 50 75 15 15 功耗（W） 160 90 100 75 40 25

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导体激光器。为了克服半导体激光器发射功率小的缺点，开始采用主控振荡功率放大（MOPA）半导体器件。只要MOPA的功率环境能满足空间环境的要求，半导体激光器会被更广泛地应用于星间和星地激光链接。Nd:YAG固体激光器优异的性能使其可采用各种调制方式，基于PSK调制、直接采用光零差解调的检测方式可使探测器灵敏度大幅提高，几乎等于量子极限。据资料报道，Nd:YAG激光器在保证性能的情况下，已通过各种空间环境试验，满足空间飞行条件。此外，通过采用性能比较好的半导体激光二极管作为泵浦光源，可以提高Nd:YAG激光器的电光转换效率。通过对陆上光纤激光器器的体积、转换效率、光束质量、发射功率、谱线宽度、波长稳定性以及调制速率等进行技术加工可使其满足星上应用要求。目前，低噪前置光纤放大器由于能够满足接收端对灵敏度的要求而得到应用。目前光纤激光器用于星上的主要问题是空间光到光纤的耦合问题。

近期亚利桑那大学和墨西哥州科特兰（kirtland）空军基地的研究人员正在JTO MRI的部分计划中进行可调制高功率高亮度垂直外腔半导体激光器设备的研究。研究研制了具有可调制功能的窄光谱、TEM00模光学泵浦垂直外腔半导体激光器（VECSEL），利用这种结构紧凑的设备可以为激光通信应用提供部分相干光源。目前，每个激光器的输出功率已经超过10 W，泵浦光斑尺寸直径为500 mm。相干公司（Coherent Inc.）利用一台泵浦光斑尺寸超过900 mm的类似的设备在975 nm实现输出功率为50 W。VECSEL的光束质量因子M2较低（<1.4），光束宽度很窄（< 0.1 nm），波长可调谐，可以利用PTR玻璃体光栅进行光束整合。

科研人员研究了2、4和9个TEM00激光光束的传播，作为VECSEL的原型，在微弱的大气扰动情况下这些光束具有不同的波长。研究考虑到纵向闪烁指数（longitudinal scintillation index），确定了2、4和9个激光光束的最优构型。这种独特的激光通信用途可以在不同的可控波长使用多址VECSEL光束，形成发射器的部分相干（光谱和空间）源。结果显示，与具有相同总功率的单址多波长光束相比，利用光束阵列填充发射器光圈的结构可使纵向闪烁分别减少53 %、82 %和92 %。半导体有源结构另外一个优点是可以相对容易地进行高数据速率调制。最近研究开发了一套完整的3D空间—时间模拟方法，对这些VECSEL设备进行模拟，目的是探索复合调制的方法。

2.2 快速、准确的APT技术

激光束的捕获、瞄准和跟踪（acquiring, pointing and tracking，APT）技术是星间、星地激光通信系统都的关键技术之一。正确地捕获、瞄准、跟踪是在太空中以μrad量级的发散角度在两个相对高速运动的终端之间建立通信链路的必要前提。

空间光通信系统的ATP系统主要由捕获（粗跟踪）系统和跟踪、瞄准（精跟踪）系统组成。激光信标发射的光束很窄，在相距极远的两个卫星之间必须保证信标的

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发射波束覆盖接收机的接收天线，接收端能够捕捉跟踪发射端的窄光束，捕获阶段要求视场角一定要很宽。解决粗跟踪阶段问题的关键在于接收机中使用超窄带宽、高透射率的光学滤波器。系统完成目标捕获后，对目标进行瞄准和实时跟踪（精跟踪），通常采用四像限红外探测器QD或Q-A PD高灵敏度位置传感器来实现，并配以相应的电子学伺服控制系统。精跟踪要求视场角为几百微弧度，跟踪灵敏度为-90 dbW，跟踪精度为几微弧度。原子滤光器带宽可达到1×10-12 m，可以保证在一定信噪比的前提下有效地扩大接收机的视场角，满足快速捕获信标的要求。近年来，与l0 nm和1550 nm波段相匹配的APT技术和元器件研究受到重视。

NASA预期在不久的将来将出现对自由空间与地球之间长距离通信（long-haul communication）服务的大量需求。为了满足这种需求，美国MIT林肯实验室投资并研究了一种新颖的自由空间激光通信系统，该系统可以以比目前普遍应用的RF（射频）系统高10-1000倍的数据速率运行。该系统的接收设计部分由一个望远镜分布式阵列组成。每个望远镜配备一个在盖革模式（Geiger-mode）下工作的雪崩光电二极管（Avalanche Photo Diode，APD）阵列，利用APD阵列可以在纳秒时间范围内检测和时规接收到的单个光子。采用望远镜阵列将使激光通信系统具有一个显著的优点，即可以提供较大的采集范围，而无须斥资构建很大的单片集成电路光圈。使用分布式阵列接收器的关键挑战是组合来自每个望远镜的被检测光子，使组合系统形成一个专门的大型采集器。

采用分布式望远镜阵列的接收器构件将用于深空光通信链路。研究侧重于接收器技术，包括从空间中获取深空卫星的下行链路激光信号、对每个望远镜接收的所有光子的时规进行同步化、以及望远镜光子探测与单指令数据流的联合技术。为了克服极低的信号通量、时钟不稳定性以及多普勒调频斜率（Doppler rate），研究设计了一种向下链路结构；结构中包括用于辅助接收器进行信号捕获的符号顺序，以及在这种压力条件下的时钟同步。时钟恢复和信号捕获算法满足信号向下链接和通信链路闭合的要求。利用该接收器概念进行了硬件测试，结果表明：在数据速率高达14 Mbps的条件下，功率小于一个入射光子每位（one incident photon per bit），位于Shannon限（Shannon limit，1 dB）的范围内。 2.3 高灵敏度、高速率的调制、接收技术

调制方式大致分为调幅、调频、调相，与之对应的接收方式是直接强度探测（DD）和相干（外差）探测。直接强度探测（即非相干探测），具有结构简单、成本低、易实现等优点。在800 nm的通信波段，一般采用直接光强度调制（IM）/直接强度探测的方式；在1550 nm波段更多地继承了陆地上光纤通信系统的特点，一般也采用幅度调制和解调的方式；相干探测技术是10 nm和1550 nm波段的备选接收探测方式。

在空间光通信系统中，光接收机收到的信号十分微弱，且伴有高背景噪声场干

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扰。为了快速、精确地捕获目标和接收信号，可以提高接收端机的灵敏度或者对接收的信号进行处理。在光信道上采用光窄带滤波器（干扰滤光片或原子滤光器等）以抑制背景杂散光的干扰，在电信道上则采用微弱信号检测与处理技术。此外通常还需要采用精密和高增益的接收天线。为了增大通信容量，在一些方案中采用同一波长的2路旋向相反的圆偏振光同时传送；在超高速调制的同时还要产生足够的功率用于空间距离传输，因此除研究大功率半导体激光器以外，国外还在研究采用激光二极管阵列的方案。目前除提高检测器本身灵敏度外，还在广泛探讨外差接收及纠错编码等途径。

针对许多实际需要，激光通信系统必须支持在运动的平台之间进行操作。然而，工程稳定链路将依赖于许多技术革新。特别是有效的瞄准、捕获和跟踪（PAT）需要使用航标信号（beacon signal），还要求系统具有准确和灵活地连接在所关注的很大区域内运行的通信终端之间的视线（line-of-sight，LOS）的能力。平衡环等机械设备可以在很宽的范围内进行相对缓慢的跟踪，缺乏抑制高频震动和光学湍流导致的光束偏转所必须的瞄准带宽。与之相比，快速控制（fast steering）、特别是非机械设备倾向于拥有很高的带宽（达到kHz量级），但是它们的有效范围很小。单独使用平衡环和快速控制器之一作为光束控制器时，其与生俱来的可能导致整个PAT系统的缺陷。因此需要将重点转移到混合结构，探索组件的优势。

纽约州立大学宾厄姆顿分校SUNY和空军研究实验室（AFRL）的研究人员设计开发了一个用于运动激光通信终端的复合光束控制系统。该系统由可以提供大范围运动的新型操纵器Omni-Wrist III和低声光布拉格控制器组成，利用后者可以确保在临近运行半球的任意一点进行灵活的光束控制。研究合成了一个分级控制系统，用来扩大这些设备的综合作用，并最大限度地发挥其优势。模拟结果显示，复合控制器可以高效运行，并在较大的视场内获得很高的跟踪精度。试验证明该系统促使瞄准误差降低超过100倍，同时LOS扰动光谱的频率升高到2 kHz。 2.4 振动抑制技术

振动抑制是影响卫星光通信系统性能的重要因素，其影响涉及到从开环捕获、闭环跟踪到光通信中的各个环节。最初的抑制措施主要集中在结构方面，随着研究的深入，振动抑制方法已经融入到通信系统本身的设计之中，包括调整带宽、调整探测阵列、调整波束宽度、功率控制、采用多样性的星间链路等。详见参考文献。 2.5 网络控制技术

空间激光通信的协议和控制，包括从低层的调制激光束的编码和同步、失效链路检测、合适的数据链路协议设计以及高层的链路建立、信息包传送、拥塞防护、全球兼容等各种问题。

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3 美国国防部的天基激光通信计划

美国国防部的天基激光通信计划包括天基雷达和转型通信卫星等子计划。 美国空军认为强烈需求在各种天气条件下昼夜为作战指挥官提供持久情报搜集能力。目前只有天基雷达能够实现这个目标。天基雷达能够在开放区域和拒绝区域为我们提供持久情报搜集。天基雷达计划的短期目标之一是在2008年发射一颗四分之一比例的模型卫星以演示天基雷达系统的能力（截止快报出版时间尚未见相关报道）。从这次发射以及试验阶段中对卫星操作获取的知识，将帮助计划开发更大型的操作系统。演示卫星中使用的转发器/接收器也将用于具备完全运转能力的卫星，以及制造一颗四分之一比例的模型卫星。美国防部计划2015年发射首颗天基雷达卫星。

对美国防部太空计划同样关键的是转型通信卫星（，TAST）计划，该计划将在战时和和平时期为国防部创建更宽的带宽，而带宽描述某一时刻通过通信设备的电子信息量。更宽的带宽意味着更多的信息和某一时刻为更多人提供更大的容量。重要的是在行进中提供这种带宽通信能力，同时为全球数以千计的用户提供这种服务。 通信新进展包括激光通信，即在光束的两端进行信息交换。美国防部已经在新墨西哥州进行了概念试验，实验成功地显示出太空与地面站、太空与飞机之间进行激光通信的可能性。随着结合激光通信的转型卫星计划的出现，美国防部将会在带宽方面获得巨大提升。

图2 转型通信结构。自由空间光通信为Backbone链路和边连通度（edge connectivity）提供了高性能的链路。

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目前卫星上操作的带宽是几年前的10倍，在配备有宽带间隙填充仪（gap filler）的先进极高频卫星发射后，带宽将扩大10倍；应用激光通信后，带宽将再次扩大10倍。

4 总结

自由空间激光通信具有高速率、大容量、高保密的性能, 而且星际光链路比光纤及光缆成本低得多，所以它可广泛应用于军事、经济等各个领域,，为建立全天候、高机动性、高灵活性、稳定可靠工作的信息平台开辟了广阔前景。 4.1 研究前沿

第一代激光通信系统已经表现出超越目前RF（射频）系统的卓越性能。未来需要进一步发展并实现其终极潜能，包括多址接入终端（multiple-access terminal）、空基激光通信（airborne lasercom）和多址每光子-位数链路（Multiple bit-per-photon link）技术。

4.2 正在开发的激光通信技术将在未来10年内在太空中运行应用

技术上的革新将提高激光通信的性能，减小通信卫星的体积、重量和能耗；类似电信的协同工作标准将有助于成本的降低。 4.3 持续的研发将实现终极潜能

例如：与航行器（aircraft）之间或者来自航行器的激光通信；每个终端多用户共享（多址接入）；利用先进技术提高灵敏度和数据传输速率。

（杨 帆 编写）

参考资料

[1]. Boroson M. D., 2007. Laser Communication in Space.

http://www.osa.org/News/policyprograms/specialevents/Don%20Boroson%20-%20Lasercom.pdf [2]. George Zogbi G., Candell M. L., 2007. Signal Acquisition and Timing for a Free Space Laser

Communications Receiver. Proc. of SPIE, Vol. 57, 5707C.

[3]. Moloney V. J., et al., 2007. Tunable high-power high-brightness VECSELs as partially coherent

sources for lasercom. Proc. of SPIE, Vol. 57, 570N.

[4]. Nikulin V. V., Nicholson J. D., 2007. Hybrid beam steering system for laser communication

between mobile platforms.

[5]. Special Report: The USA’s Transformational Communications Satellite System (TSAT).

http://www.defenseindustrydaily.com/special-report-the-usas-transformational-communications-satellite-system-tsat-0866/ 2008.

[6]. 李睿, 赵洪利, 曾德贤, 2006. 空间激光通信及其关键技术. 应用化学. 27(2): 152-1. [7]. 美国防部的天基激光通信计划. 激光与红外. 2005, 35(7): 468.

[8]. 王晓海, 2006. 国外空间激光通信系统计数最新进展. 现代电信科技. 3(3): 41-45.

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研究进展

日本光学轨道通信工程试验卫星（OICETS）概况

1简介

激光通信具有信息容量大、传送线路多，保密性强、可传送距离较远，设备轻便、费用经济等优点。原来的电磁通讯技术容量小，保密性差，越来越不能满足社会发展的要求。

相对美国和欧洲而言，日本在卫星激光通信研究方面起步较晚，但日本后来发展迅速。日本的OICETS计划是十分引人注目的空间激光通信研究计划。日本和欧州航天局还利用各自研制的、装于各自卫星上的空间激光通信终端，合作进行空间激光通信系统的空间实验，这进一步显示出空间领域逐步走向国际合作化的趋势。日本星地链路激光通信实验的成功，进一步证明了空间激光通信中难度最大的链路——星地链路的可行性。

2日本光学轨道通信工程试验卫星

光学轨道通信工程试验卫星OICETS由日本宇航探索局（JAXA）开发，于2005年8月23日成功升空，该卫星现改名为KIRARI（日语意为“闪光”或者“闪烁”），该低地日同步轨道卫星运行高度610千米，倾角97.8度。OICETS只携带激光终端，总体质量近为570kg，它原计划在500km的低轨道上运行。OICETS目的是使用称作激光使用通信设备（LUCE）的激光通信终端验证空间轨道激光通信和空地激光通信，评价及改进激光通信技术及装置。此外，日本国家信息和通信技术院（NICT）开发的2个光学地面站（OGS）和德国航空航天中心（DLR）合作完成了低地球轨道（LEO）与地面激光通信演示。即，KIRARI与日本国家信息和通信技术院（NICT）的光学通信演示试验（KODEN）和KIRARI光学下行链接到Oberpfaffenhofen（KIODO）。后者为2006年6月7日，低地球轨道上的“光学轨道通信工程试验卫星”（OICETS）成功与位于德国巴伐利亚的一个小镇Wessling上德国航天局航天飞行中心（DLR）移动地面站成功进行了3分钟的光学链路通信。

2005年12月9日，OICETS首次成功地与欧空局（ESA）的地球同步轨道（GEO）高级数据中继技术任务（ARTEMIS）卫星进行了双向激光通信实验，这使得卫星光通信技术向实用化方面又迈出了一大步。日本共同社称，这是全球首次实现卫星之间的双向激光通信。Kirari卫星运行在610千米高的低地球轨道上。而ARTEMIS卫星运行在36000千米高的静地轨道上。瞄准并维持两颗卫星之间的激光通信是困难的，因为它们相距45000千米，并且以每秒几千米的相对速度运动。日本宇航探索局（JAXA）在一份声明中称，这样的成就有如“从东京命中富士山顶上的针眼”。

KIRARI卫星完成与ARTEMIS卫星间的双向激光通信实验后，将卫星姿态做大

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调整，将头底位置互换，即将激光终端位置由卫星顶部转到卫星底部，这样可实施卫星与地面的激光通信。2006年3月22日－31日，“闪光”（Kirari）卫星与日本东京地面光学站成功地进行了国际上首次LEO-地面的双向激光通信试验。这次是“闪光”（Kirari）首次实现与移动地面站之间的光通信，验证了在卫星和移动地面站之间建立光学通信网的可能性。

2005年12月以来，“闪光”卫星一直在进行日常激光通信试验，取得大量有关星间激光通信技术的宝贵资料。其总系统组成包括日本空间发展局（NASDA）的OICETS（闪光）卫星、数据中继卫星（DRTS）、跟踪控制中心（TACC）、国内跟踪通信站、ESA的ARTEMIS卫星和地面站。KIRARI及ARETEMIS卫星之间的光学链路试验持续到2006年，并在不同的环境条件下建立几种光学链路，以完全证明并表征KIRARI技术。“闪光”是第二颗与ARTEMIS实现激光通信的卫星，世界上首次与ARTEMIS卫星实现激光通信的是SPOT-4卫星，该次试验于2001年11月在SILEX计划的框架下完成。

“闪光”和ARTEMIS概念图如图1、4所示，配置图如图2、3所示。

LUCE由2部分组成：光学部分为安装在2轴平衡环上的望远镜，电气部分提供控制捕获、跟踪和瞄准（APT）的功能，如图3。光学天线直径26cm并属于中心伺服卡塞格伦反射型望远镜。

图1 OICETS计划概念示意图

2.1 性能与结果

前向链路可从ARTEMIS到OICETS的前向链路使用2脉冲位置调制（2 Pulse

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Position Modulation，2PPM）格式为2.048兆比特/秒（bits/sec），而从OICETS到ARTEMIS的返回链路使用非返回归零（Non-Returnto-Zero，NRZ）格式为49.3724兆比特/秒。上行系统，地面站与OICETS的上下行链路使用对应的同样格式和比特率。其它特点见表1。

图2 空间轨道OICETS配置图

图3 LUCE总体图

2.2轨道对地试验结果

KIRARI卫星完成与ARTEMIS卫星间的双向激光通信实验后，将卫星姿态做大调整，将头底位置互换，即将激光终端位置由卫星顶部转到卫星底部，这样可实施卫星与地面的激光通信。

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表1 激光通信终端特点

Laser terminal, OICETS ARTEMIS DLR OGS satellite orbit or height of 600 km, 21.5 deg. East, Oberpfaffenhofen,station location low earth orbit geosynchronous Germany

earth orbit

Wavelength Communication: Beacon: 801 nmBeacon: 808 nm 847 nm Communication:

819 nm

Polarization LHCP LHCP Random Telescope 0.26 m 0.25 m 0.40 m diameter

NICT OGS

Koganei, Tokyo, Japan

Beacon: 808 nm Communication: 815 nm

LHCP or random Transmission: 1.5 m Receiving:0.20m/1.5m

图4 轨道试验和运行系统 表2 OICETS－ARTEMIS试验结果

KIRARI卫星姿态控制系统有两种模式：标准模式为三稳定姿态控制模式，惯性参考模式（IRM）是倒转姿态配置，其姿态固定在惯性空间。LUCE光学部分能指向地面站。在轨道对地试验IRM模式轨道配置中，试验中地面站的可视时间只有3－10

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分钟，越过时相对距离为600到1500km。LUCE一直保持指向极限为5米左右以内的地面站。LUCE的跟踪或指向角速度为ARTEMIS实验的2倍至3倍。此外，卫星和一个地面站之间的大气湍流影响激光链接。

KIRARI与日本国家信息和通信技术院（NICT）的光学通信演示试验（KODEN）结果：KODEN是轨道到与nict设在日本东京的光学地面站试验。尝试了18次试验，分别在2006年3月（4次）、5月（6次）和9月（8次）的午夜十二时进行，从每次捕获和跟踪终端来看，成功11次，无链接7次，成功率约61％。不过，每次成功的建立链接肯定是在无云晴天条件下。

KIRARI光学下行链接到德国Oberpfaffenhofen（KIODO）结果：尝试了8次试验，分别在2006年6月的午夜十二时进行，成功5次，无链接3次，链接也是在无云晴天条件下建立。

（刘 栋 编写）

参考文献：

1. Overview of the inter-orbit and orbit-to-ground laser communication demonstration by OICETS，

Proc. of SPIE Vol. 57, 5702, (2007)

2. http://stxx.costind.gov.cn/n435777/n435943/n435945/n435988/30487.html 3. http://blog.yadao.com/page/mavellousj?entry=00095001b4127b8

欧空局光学地面站（OGS）十年回顾

欧空局（ESA）的光学地面站最初是建设并用于测试地球同步卫星“月神（Artemis）”的激光通信终端的设施，至今已经运行了10年。它利用直径为1 m的望远镜模拟低轨激光通信终端，对“月神”卫星上的另一个终端进行验证。迄今为止该地面站可以提供多领域的广泛服务，并逐渐成为面向欧空局、国家和国际的多用途设施。

1 地面站的建设

欧空局的光学地面站（OGS）位于西班牙特内里费（Tenerife）岛泰德（Teide）观测台的加那利天文物理研究所（Instituto Astrofísica de Canarias，IAC），用于测试由该机构的“月神”地球同步卫星进行的“半导体激光星间链路实验（SILEX）”。SILEX是一个光学系统，利用与“月神”卫星间的50 Mbit/s激光链路，接收来自法国Spot-4低轨地球观测卫星的数据。然后这些数据由一个Ka波段无线电链路转播到地面。

当欧空局于1980年代中期提出在SILEX卫星上试验激光通信时，迫切希望在两个运动卫星间建立链接，并检验两个激光终端之间复杂的搜索程序。激光通信链路的紧密光束对瞄准、捕获和跟踪的要求近乎完美。为此，建造了OGS用于模拟该

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链路的一端。OGS拥有直径为1 m的望远镜，可以模拟低轨激光通信终端，也可以用于测量其他一些难以利用负载遥测获得特性，如激光波长、极化方式、捕获与通信计时等。

1993年12月，加那利天文物理研究所和欧空局理事会达成了一项备忘录，决定建造OGS。1996年OGS建造完成，1997年最终验收了望远镜及其控制系统，并继续支持SILEX的部署和预操作使用。欧空局也因此成为民用光学空间通信领域的领先者。

OGS的建造—地特内里费岛拥有加那利天文物理研究所提供的优良基础设施，海拔2400 m，接近地球赤道，可使其与赤道上运行的同步卫星间的大气通道最小。

2001年11月15日，SILEX开始了首次验证测试。来自“月神”卫星的航标信号首次被OGS捕获，随即建立了与该卫星间的完整光学通信。这是欧洲光学通信领域具有重要意义的一刻，它标志着此类空间链路得到了首次成功验证。5天后，Spot-4与“月神”卫星间的星间链路也成功建立。自2003年2月开始，OGS便可每天提供光学数据转播服务。至今，OGS与“月神”卫星间已执行了上百次的激光通信会话，主要研究光束的传播特性，以及大气扰动对通信的影响。OGS还定期监测终端的运行情况。

2 支持多国光学空间通信实验

OGS支持了许多国家的光学空间通信实验。2003年9月，来自日本宇宙航天开发机构（JAXA）的一组工程师测试了他们的光学终端“LUCE（Laser Utilizing Communications Equipment，激光利用通信设备）”。该终端由JAXA与欧空局合作研制，安装在日本的OICETS卫星上，于2005年8月被送入低地球轨道。该终端与“月神”间的星间链路实验十分成功。OGS还通过提供优化链路的测量数据，帮助法国开展了LOLA飞机—“月神”光学链路实验。

更重要的是，OGS正在第二代激光终端开发与验证方面发挥着重要的作用。如在由德国宇航中心（DLR）国家资助、由TESAT（前ANT和博仕通信公司）研制的相干Nd:YAG激光通信终端（LCT）的研制过程中，OGS发挥了重要的作用。这种终端的头两台分别安装在美国国防部近场红外实验（NFIRE）卫星和德国的X波段合成孔径雷达地球观测TereaSAR-X上，并分别于2007年4月24日和2007年6月15日发射升空。2007年8月，OGS开展了首次TerraSAR-X测试，并在Maksutov宽域照相机的帮助下，对所需的指示、搜索和跟踪性能进行了验证。在2007年底5.6 Gbit/s实际星间链路实验之前，NFIRE的终端也要开展类似的测试。

OGS还将用于TanDEM-X（TerraSAR-X的伙伴卫星，将于2009年发射）上和欧空局的Alphasat下一代电信卫星（将于2011年发射）的相干激光终端的测试。这些终端专门用于地球低轨卫星与同步卫星之间的数据转播。

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3 开展有效的岛间链路实验

另外，由于OGS所在地的特殊优势，还可以利用OGS开展岛间激光链路实验。OGS所在特内里费岛与大加那利岛（Gran Canaria）和拉帕尔马岛（La Palma）分别距离70 km和150 km，是一个开展远程大气传输实验的理想试验台。尤其是拉帕尔马岛，岛上拥有一个海拔2300 m的天文台，是一个可与OGS开展实验的完美配对平台。

2005年11月，德国宇航中心利用岛间链路对其相干激光终端性能进行了测试。数据发射机以5.6 Gbit/s的速率工作，从拉帕尔马岛发射到150 km外的OGS。拉帕尔马岛上的天文台将其望远镜孔径从1 m降至60 mm，用于模拟实际的接收机。尽管实验经历了该年恶劣的天气条件，但还是完成了空对地终端试验的重要链路测量。

另一个典型的例子是2002年对将安装在SMART-1上的AMIE照相机工程模型的测试。当时AMIE安装在拉帕尔马岛上，接收来自OGS的激光束。利用这种方式可以了解四个OGS光束的远场模式特性，测试飞向月球的SAMRT-1可以探测到的预期信息强度。2004年，在SAMRT-1飞往月球的途中，OGS与AMIE间进行了实际测试。OGS可以观测到150,000 km远的SAMRT-1，并将激光束指向AMIE。这项OGS-AMIE光学链路实验是一个具有重要价值的深空光学链路实验，它可比无线电频率提供更高的数据率。

2007年10月，还利用这种岛间实验对Oerlikon Space研制的一个验证系统进行了测试，该系统用于链接距离OGS达1,500,000 km的L2拉格朗日点。为了s使其适于OGS与拉帕尔马岛150 km的距离，望远镜孔径从10 cm减至10 μm。为达到所需的10 Mbit/s，还对大气扰动进行了误差校正编码补偿。

除此之外，一些欧洲科学家还利用这一方式对“纠缠（entangled）”这一神秘的量子现象进行了演示。实验成功地证明量子在穿过大气、并经过约150 km距离后仍存在着这种“纠缠”现象，同时证明了这种“纠缠”信息仍将在从地球到空间（或相反）的旅程中保持，因而有可能实现全球量子密钥发布。

4 成为通用工具

OGS拥有广泛的应用领域，包括空间碎片跟踪、激光雷达大气测量和天文观测。从设计之初，OGS就与欧空局的欧洲空间操作中心（ESOC）的任务分析部门就保持着观测空间碎片的密切合作。为了有效搜索空间碎片，专门为OGS研究了一个由液氮冷却的具有特殊宽域的、1600万像素CCD照相机阵列。OGS的定期观测积累了大量的碎片资料，使欧空局处于该领域的领先地位。

科学理事会也是OGS的常用户，并为之安装了一个接有红外与“光栅/棱镜（grisms）”的400万象素、冷却CCD照相机，用于慧星观测。另外，还有一台基于超导通道联接的光子计数成像分光光度计S-Cam，可用于搜索太阳系外行星。此

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外，OGS还与行星搜索COROT任务合作，利用空间碎片照相机和特殊Johnson/Bessel过滤器探测外行星。

OGS还经常参与国际活动和特殊事务，如2005年7月NASA的Tempel-1“深度撞击（Deep Impact）”探测器。

加那利天文物理研究所也经常利用OGS。2000年以来，已有50多篇由加那利天文物理研究所科学家在OGS工作的基础上编写的论文发表。

随着OGS日益重要，OGS的日常管理已由“月神”项目转交给了技术与质量管理理事会的光学部管理。2005年，产业委员会批准了一项与加那利天文物理研究所间的采购合同，用于OGS的2006-2010年维护和操作。OGS望远镜基于老DOS操作系统的控制系统，天线罩控制电子系统，以及主镜面等均需要更新维护。

其他用户也可以方便地利用OGS，并优先安排空间激光通信平台试验；但空间碎片观测不对外开放。使用OGS无需提交申请或进行同行评议，观测时间按“先到先得”的原则进行分配。

由于时间分配方法十分简单，而且安装设备也很方便，欧空局光学地面站在运行10年后仍有大量用户需求。随着欧空局日益关注深空光学数据链路设备的开发，OGS仍将需要作出一些重大的改进，如增加自适应光学和导星激光设备等。

徐 峰 摘译, http://www.esa.int/esapub/bulletin/bulletin132/bul132d_sodnik.pdf

检索时间：2008年2月22日

前沿技术

NASA的星间激光通信数据率欲提高30dB

编者按：在各种获取高数据率的技术中，自由空间光通信是一个有前途但又富有挑战性的发展领域，该技术可使数据率呈数量级提高。由NASA资助的“火星激光通信验证”（MLCD）项目是深空光通信技术在火星通信轨道器（MTO）上的第一次演示。该试验用MLCD有效载荷由戈达德航天飞行中心、喷气推进实验室和麻省理工学院的林肯实验室研制，原定将搭乘拟于2009年发射、价值5亿美元的MTO通信中继卫星前往火星。但由于财政紧张，NASA 已被迫取消了该计划。在计划取消前，MLCD项目已经成功完成了系统初步设计，突出展示了其潜在的深空激光通信能力，确定了关键技术驱动，强调了技术可行性验证需求。

1 介绍

最近30年内，科学家们一直在研究利用激光通信从深空传回高速数据。NASA的MLCD系统在火星距地球最远时可实现1Mb/s的通信速率，在火星距地球最近时可实现30Mb/s的通信速率。这里将介绍基于提高效率和低冒险设计修正的链路性能的

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改进，这将使在2020年时间框架内火星距离地球最远时回传数据率可提高30dB。

科学家们计划在下一个十年里，促进光学技术的发展使其能够使MLCD系统的数据率提高将近30dB。未来深空任务所需的激光通信能力包括：（1）单位质量、单位功率下更大量的传输比特位，随着距离的增加而增加；（2）不受约束和“无限的”带宽；（3）人类活动以及科学任务所必需的增强型双向数据传输能力。

实现深空激光通信系统的主要障碍，是使用那些“未在深空验证过的”新技术所带来的风险。由于深空通信的独特性，最近在近地验证中所取得的成功还没有完全解决深空系统的风险问题，这些风险来自通信范围的无限增加以及往返光时（round-trip light time）的增加等。此外，为了在地球上接收到微弱信号，从深空无线收发机发射出的衍射质量较差的激光束（3-10μrad）带来了迫切的瞄准需求。高峰值平均功率的激光发射机和地面单光子技术灵敏接收机，必须要在变化的（偶尔会很剧烈）背景光条件下操作，这也是深空激光通信的独特要求。

2 链路性能的提高

表1总结了MLCD系统链路性能的提高，包括改进效率的结合与设计修正。 2.1 增加的效率

增加的效率主要来源于：

– 激光发射机中更好的电光转换

– 光学传输效率（optics throughput efficiency） – 改进的激光束与发射光学系统的耦合 – 改进的地面采集效率

– 改进的光电探测（光子－光电子转换）

2.1.1 激光发射机效率

由于具有较好的整体效率、机械鲁棒性、商业化的零部件以及容易达到的热冗余等特点，基于MOPA的激光发射机成为深空激光通信系统最好的选择。采用效率更高的泵浦二极管，可以使wall-plug效率进一步增加，比如DARPA资助的超高效二极管光源（SHEDS）计划，目的是将二极管激光器的效率提高到80%，能够泵浦光纤放大器等工作介质。由于散热器（航天器的热处理）的功率和质量的增加，迫使从航天器获得的资源增加，这样非制冷的高效率二极管就有了双重用途。MLCD的激光发射机泵浦二极管在耦合光纤中具有35%的效率，未来如果利用同样设计的、效率为80%的泵浦二极管，那么对基本电功率的需求会减少40%。效率较高的泵浦二极管的应用，促使了wall-plug效率为28%的脉冲光纤激光器的实验室演示，近期效率可达到35%。基于这些技术的进步，基于光纤放大器的激光发射机的效率提高3倍也将成为可能。对于同样的wall-plug效率，这会使数据率提高4dB，表1中保守估计提高3dB。

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2.1.2 光学传输效率

通过减少系统的复杂度和系统组件数量，无线收发机可获得适度的系统传输率。激光通信发射光束可以很容易地穿过20个或更多的表面，但随着光束所穿过表面数量的增加，光束的整体损失就快速地成倍增加。因此，在反射和发射组件表面镀上比较高级的膜有望使系统发射效率提高0.5-1dB。 2.1.3 激光－光学耦合效率

当TEM00模输出（高斯分布）的激光束耦合到望远镜中时，由望远镜的次镜安装引起的中心暗化使激光束最有用的部分被弱化，这可导致远场光学天线同轴增益减少30%。在激光与望远镜耦合前，将高斯输入光束转换为圆环形模可以避免这种弱化，目前已经设计了几种方案。主要技术包括：光学元件的组合，如轴锥体，棱镜光束限幅器prism beam slicer等。一旦这些方案付诸实施，远场同轴增益就会增加。表1中第6行保守估计了光通量与激光－光学耦合效率，实际有可能达到1-1.5dB。

表 1 高效率和设计修正带来的链路性能的提高

System / Channel

Flight Transceiver

Laser overall efficiency and increases input electrical power Transceiver aperture gain Transceiver efficiency Beam pointing losses Space Loss Longer wavelength Atmospherics attenuation Ground Receiver Aperture diameter gain Optics throughput efficiency Focal plane loss Detection efficiency Signaling

Performance loss due to noise Performance loss due to coding Improved codes

Receiver/decoder implementation lossTotal Link Improvement Total Data-Rate Improvement

Improvements(dB)

Total(dB) 9.59

6.02 1.00 2.13 0.44 3.30 0.39 3.20 3.10 0.41 3.98 5.88 -0.69 0.40 0.31

3.30 10.69 5.90 29.44 30.34

Atmospherics 0.39

2.1.4 地面光学传输效率

通过（a）设计一个与激光光谱波形更加匹配，并可以抵制太阳光的光谱带通滤

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波器；（b）在望远镜镜片和光学元件上渡膜，可以使传输效率提高1.27dB。 2.1.5 光电探测器噪声和探测效率（PDE）

单光子灵敏的NbN超导探测器是一个非常有发展潜力的领域，因此光电探测效率有望显著提高。在接下来的10年中，基于NbN的探测器在1-1.5μm的近场波长处能够达到至少75%的探测效率。因此在表1中采用了75%的PDE。此外，基于探测器噪声的实验室测量的推论，研究人员为探测器暗噪声分配了10Kcps（kilo-counts per second），这对于编码的每秒多兆位系统来说是完全可以忽略的。 2.2 设计修正

Williams等人[1]通过光学和射频（RF）方法检验了高速数据传输，预言了质量和功率对主航天器的负担。这篇文章写到，除了增加数据率，光学技术也为高速远距离通信系统节省了质量和功率；并且估计了孔径直径和激光功率成功实现的可能性。例如，作者认为到2020年为止，50 cm的飞行孔径直径和20 W的平均激光功率可以99%的实现。如果地面接收器的有效采集信号直径是10 m，那么从大约2.5AU（最大火星距离）处实现1000 Mb/s数据率、6.5AU（木星距离）处实现100 Mb/s数据率、20AU（天王星距离）处实现10 Mb/s数据率都是有可能的。 2.2.1 较长激光波长的影响

深空通信链路激光波长的选择，受到链路组成部分空间可用性的驱动，这些组成部分要（a）产生足够的高功率，（b）有效产生高峰值－平均功率比的信号，（c）产生非常短的同步脉冲，所有这些都要与探测器技术相匹配。目前的技术将波长选择范围缩小到两种：10nm波长、Yb泵浦的光纤放大器和1550nm波长、Er泵浦的光纤放大器技术。由于在项目时间窗口内1550nm技术缺少高探测效率的探测器，所以MLCD项目选择了10nm波长。对于固定的望远镜尺寸，尽管较窄的波束宽度更适合10nm的波长（1550nm波长处每瓦更多的光子数），但在较长波长下，望远镜的光学性能可以得到改进，背景更好、扰动影响更小。正在进行的研究很快就会减小10nm和1550nm波长光子计数探测器之间探测效率的差距，未来的瞄准设计基于把1550nm作为激光发射机的波长。 2.2.2 地面接收机主镜直径

十年前NASA的深空网（DSN）利用直径为70 m的天线与航天器进行通信，同样，光学深空网也可从最大的孔径直径上获利，技术上可行同时开销也很大。MLCD项目利用直径为5.08 m、坐落在加利福尼亚帕洛玛山上的Hale反射式望远镜，预先分析表明，20倍的衍射极限望远镜对于激光通信来说是足够了。这一需求受到焦点大小要小于光电探测器直径所驱动。目前的技术允许望远镜直径以十米数量级发展，但发展的主要障碍是资金的问题。节约成本的一种手段是开发由较小直径的望远镜组成的阵列，这能够与10 m或更大直径的相当。理想情况下每个望远镜都能够接收

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到来自航天器的信号。随着探测器技术的发展，预计用于火星最远距离通信的最优孔径直径会是2 m的量级。无论采取哪种方法获得较有效的采集信号直径，都会使净增益增加6dB。

[1] W. D. Williams et al. “RF and Optical Communications: A Comparison of High Data Rate

Returns from Deep Space in the 2020 Timeframe, “ Proceeding of the 12th Ka and Broadband Communications Conference, Naples, Italy (September, 2006).

王海霞 摘译 http://spiedigitallibrary.aip.org/getpdf/servlet/GetPDFServlet?filetype=pdf&id=PSISD

G006877000001687707000001&idtype=cvips检索时间：2008年2月21日

星—地通信演示中OICETS光学终端的跟踪与瞄准特性

来自日本和德国的研究者在2007年的SPIE会议上介绍了安装在“光学轨道间通信工程试验卫星（OICETS）”上的“激光利用通信设备（LUCE）”的跟踪和瞄准功能。重点关注星—地通信演示中所观测到的LUCE的运行特征。由于在星—地试验中所需的LUCE光学天线角运动超过了卫星间通信规范，因此可观测到特有的跟踪和瞄准的边界性能。在星—地通信试验中，地面站观测到了光链路的周期性中止现象。查看LUCE的遥测系统可以揭示这种周期性链路中止的原因。

为了演示自由空间激光通信技术，日本宇宙航空开发研究机构（JAXA）研发了光学轨道间通信工程试验卫星（OICETS，又名Kirari），该设备拥有一个名为激光利用通信设备（LUCE）的激光通信终端。OICETS于2005年8月23日成功地发射到海拔610 km的极地太阳同步轨道。发射后的3个月都用于首次鉴定LUCE的功能。当确认所有功能状态良好时，开始进行与欧洲航天局（ESA）开发的高级数据中继与实验

通信地球同步（ARTEMIS）的卫星间激光通信试验。第一个双向激光通信链路于2005

年9月9日建立。当时，从OICETS到ARTEMIS返回链路的数据传输误码率（BER）估计为10-3，而从ARTEMIS到OICETS的前向链路的数据传输误码率却小于10-9。下列几个试验均通过特意变换定向发射角度来测量LUCE瞄准方向的角误差。在这次试验中，LUCE的光束发射角度比预期的角度偏离了3 μrad。测量后角度得到了校正，返回链路的BER得到了改善，小于10-9。

JAXA与国家信息与通信技术局（NICT）、德国航天局（DLR）合作，研究光学地面站与OICETS的激光通信。NICT的地面系统由一个直径为1.5 m的望远镜和两个直径为0.2 m的望远镜构成。DLR的光学地面站是一个移动式系统，配有一个直径为0.4 m的望远镜。与DLR合作的项目名称是Kirari与Oberpfaffenhofen的光学向下链路（KIODO）；与NICT合作的项目名称是Kirari与NICT的光学通信演示试验（KODEN）。星—地试验的第一阶段在2006年3月底和5月进行，作为KODEN的部

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分试验。尽管由于气候的缘故试验机会减少，但是激光通信链路仍然成功地建立起来了。向下链路通道测量的误码率是10-5，在卫星上行链路通道中探测到了调制信号。2006年6月进行KIODO项目，试验同样受到了气候的影响，但仍然记录到下行链路通道的BER为10-6。在OICETS试验阶段的最后一个月，即9月，又进行了KODEN试验，又一次测得下行链路BER为10-5，上行链路的BER为10-7。

星—地试验与卫星间演示的主要区别体现在短距离通信终端和大气对光传播的影响。从LUCE的运行角度来看，要求星—地通信的跟踪功能比卫星间通信更快，以保证地面站始终处于跟踪传感器的视野之内。考虑到瞄准操作，稳定的光检测不可或缺，以便精确地启动计数器终端，这是因为精确瞄准取决于跟踪传感器。由于OICETS被设计用于与ARTEMIS进行卫星间通信，在星—地试验中要求的跟踪和瞄准操作有时要超过设计规范，因此可以通过KODEN和KIODO项目观测到OICETS的跟踪和瞄准功能的边际特征。

该报告说明了在KODEN和KIODO项目中观测到的LUCE的跟踪和瞄准特性。首先介绍了每次成功试验的开放瞄准特征，显示了地面站实际方向与通过计算得出的预期方向之间的角误差。其次关注LUCE跟踪和瞄准功能的时间特性，以观察光学天线的快速角运动对瞄准和跟踪功能的影响。在演示过程中，在地面站观测到一些接收光功率的周期性中止现象。通过追踪LUCE的跟踪和瞄准操作找到了光链路不断中止的原因。

（1）开放瞄准特性

随着LUCE向地面站的瞄准，OICETS与光学地面站之间的光链路的建立过程也开始了。瞄准方向一直由星载处理器进行预测控制，直到LUCE侦察到地面站的信号光。LUCE的瞄准方向与地面站位置之间的角误差必须位于粗瞄准传感器的视野范围内，以便检测从地面站发射出来的信号光。在KODEN项目中前4次演示的开放瞄准误差超过了规范。尽管开放瞄准误差超过了规定视野范围，LUCE仍然可侦察到地面站发射的信号光并开始准确跟踪。在这些试验中，最大的角误差发生于2006年3月21日即第一次试验。测量到的角度为X轴0.24度，Y轴0.08度。因此认为有效的视野至少是0.25度。经过多次试验，为了调整LUCE的星载时间以保持开放瞄准误差在规范标准范围内，项目组认为有必要在算法上做一些修正，并于2006年5月13日采用了修正程序。修正效果显示开放瞄准误差的明显减小。

（2）跟踪和瞄准特性

当LUCE获得信号光时，跟踪和瞄准操作就立刻启动了。进行粗瞄准操作时，LUCE的光学天线分别绕仰角轴（elevation axis）和方位轴（azimuth axis）移动。由于OICETS的结构特征，光学天线绕方位轴移动的控制规则设计与绕仰角轴移动的控制方式不同。根据预测，绕方位轴的控制率将导致光学天线角运动的周期性变化，

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随着沿Y方向的粗瞄准误差不断增大可以观察到这种影响。如果光学天线绕方位轴移动的角速度在卫星间通信规定的范围以内，粗瞄准误差的增大可通过精瞄准机制得到抑制。这些预测在与ARTEMIS的演示中得到了证明。演示中观察到稳定的精瞄准传感器输出信号，而LUCE在Y轴上的粗瞄准误差周期性突然增大。

KODEN试验显示，粗瞄准传感器在576 sec（15:23: UT）侦察到信号光，在930 sec（15:29:48 UT）失去跟踪。而KIODO试验显示跟踪起始于277 sec（01:13:08 UT），终止于459 sec（01:16:10 UT）。尽管KIODO试验表明粗瞄准传感器在257sec侦察到光亮，但信号获得过程并不起始于那一刻。从257sec到277sec的阶段是LUCE光学天线从原始位置（home position）到接收信号初始位置（initial position）的转换跨度。在转换过程中LUCE似乎检测到了来自地球的光。

在两个试验中，沿X轴的粗瞄准误差都小而稳定，但是沿Y轴的误差却显示出周期性的急剧变化。这个现象与在卫星间演示中出现的趋势相似，由于光学天线移动的角速度很快，星—地通信的当地峰值大于卫星间通信的情况。Y轴粗瞄准误差的快速增大导致Y轴精瞄准误差的突然增大。

如果精瞄准镜的操作范围覆盖了角误差，精瞄准传感器将对所吸收的光进行稳定探测。因此LUCE能够精确地照亮想要照亮的方向。由于精瞄准机制的角度覆盖是±500μrad，如果粗瞄准误差小于0.03度，精瞄准传感器就能探测到光。但是如果粗瞄准误差变大，精瞄准传感器将探测不到信号光，导致精瞄准装置的不正常运转。由此导致下行线的传播方向将偏离预期的方向。

突然增大的粗瞄准误差的当地峰值与光学天线绕方位轴移动的角速度有关。在2006年3月28日的KODEN试验和6月7日KIODO试验中测得了粗瞄准误差的当地峰值。方位轴角速度和仰角轴角速度是光学天线绕方位轴和仰角轴的角速度。试验获得的绕方位轴的角速度小于0.03度。正如项目组估计，粗瞄准误差超过0.03度与地面站失去向下链路光束传送相符。因此项目组认为OICETS与地面站的光路链的周期性中止是由LUCE的控制规律所引起。

钟丽萍, 杨 帆 译自

http://spiedigitallibrary.aip.org/getpdf/servlet/GetPDFServlet?filetype=pdf&id=PSISDG00570000015707000001&idtype=cvips&prog=normal检索时间：2008年2月21日

超长距离自由空间激光通信

摘要：本文对目前世界上最先进的用于超长距离高速链路的自由空间激光通信发射器、接收器的设计及技术进行了综述；并且讨论了光子计数、相干和光学前置放大接收器的高效性能。

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1. 引言

众所周知，自由空间光学（FSO）通信能提供耗资合理、适合于长航卫星间及行星间的高速链路连接，这主要得益于其大大降低了由射频技术产生的衍射损耗。通过改进接收器（RX）的灵敏度或者减少尺寸、重量并降低功率（SWAP）可以进一步提升这种优势，后者是推动空基FOS发射器（TX）子系统设计的主要因素。改善接收器（RX）的灵敏度将拓展链路距离。此外，在光学通信中，超过信道带宽的太赫兹可以用于进一步提高FSO链路中接收器的灵敏度，同时还能够以1 Gb/s的速度支持距离超过106公里（例如地球和月球之间的链路）的数据传输。高效率的运行非常关键，特别是对于TX功率放大器而言；高效运行对于调频（FM）或波分复用（WDM）设计中的调制和波形生成也很重要，在FM和WDM设计中，随着波长数量的增长，对功率的要求也随之增加。其他重要元素包括：可靠性（尤其是在太空环境中的可靠性）和存在背景噪音和大气信道影响条件下的性能。在这篇文章中对目前的发射器和接收器技术进行了综述，重点论述主振荡器功率放大器发射机的特征，以及光子计数、零差相干、前置放大接收器的相关性能。基于上述技术的系统有望成为下一代超长距离通信的解决方案。

2. 目前的发射器技术和接收器技术

在高速激光通信中，通用的功率主振荡功率放大器（MOPA）发射器是被广泛采用的发射器（TX）设计。MOPA发射器可以产生高功率、高保真、低振动、高消光、脉冲成形的波形，这种波形是实现前置放大接收器最优性能的理想波形。MOPA发射器主要利用一个CW DFB激光器工作，然后经过数据和脉冲成形调制器和高效功率放大器。基于EDFA和YDFA的高级MOPA的功率效率分别可达到13 %和21 %。采用DFB激光源和啁啾管理激光器的过滤直接驱动调制可以减少外部调制器，已经证明了低消光波形长距离光纤演示具有良好的性能。这种直接驱动技术也可以作为一种低功率手段生成具备量子接收器性能的高消光波形，这种性能可以在多波长发射器（TX）中显著降低SWAP。

光子计数接收器的数据传输速率已经达到了Mbit/s和Gbit/s，最佳验证编码的RX灵敏度约为1光子每比特（PPB）；受计算过程的数字化特性影响，灵敏度还可能提高到几个PPB，极大简化处理过程。然而，由于模糊计算和时间重置的约束，目前这些光子计数接收器仅限于在背景噪音很小或不存在背景噪音条件下的低功率链路，传输速率小于1 Gbit/s，不能在恒星视野中使用。此外，核心检测技术的适用性（例如最新开发的用于太空环境的盖革模式雪崩光电二极管GM-APD阵列和超导单光子计数检测器SSPD）还没有得到验证。例如，基于硅化物的GM-APD已经显示出对辐射的敏感，SSPD需要冷却至低温环境，且对尺寸、重量及功率（SWAP）要求较高。但是对于地面接收器，稳定性和接收器的SWAP不是主要的因素，

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这些技术有很大的发展空间。与相干和前置接收放大器不同，光子计数检测器可以接收多种空间模式，并能够高效采集受到大气信道干扰的信号，而无需进行波阵面的校正。此外,这种网络检测范围可以在分布式望远镜阵列中进行高效的缩放调解，因此无需构建庞大和昂贵的望远镜。

使用PSK的相干零差RX非常光谱效率很高，能提供最佳的理论RX灵敏度。然而，实际上目前光学PSK的高灵敏度潜能尚未实现，在一定程度上是由于组件挑战和对激光线宽的要求，以及本机振荡器锁相中存在困难。在Gbit/s段，已经报道的未编码PSK的最佳灵敏度性能在6 Gbit/s传输环境下达到35 PPB，在8 Gbit/s传输环境下达到80 PPB，与光学前置放大器DPSK相比略胜一筹。

前置放大接收器可以直接支持经过外场测试的通信型1.55 μm技术，与太空环境操作一致；经这些技术验证，在高数据传输速率（大于Gbit/s）条件下，未解码DSPK得最佳灵敏度可达25-30 PPB，解码DSPK的最佳灵敏度可达7-10 PPB。借助多进制正交调制（M-ary orthogonal modulation）方式，RX的灵敏度可以达到1-2 PPB，并具备大量的带宽扩展。研究中使用包括频率、位置以及WDM速率缩放的偏振调制等混合调制方式可以访问EDFA中更多的宽带信息，并克服电子带宽的。

3．总结

在高速超长距离通信中，自由空间激光技术作为一种高成本效益的解决方案具有巨大优势。在现今可行技术的基础上，前置放大接收器有望成为近期高速天基通信中的解决方案。随着光子计数技术的成熟，其很有可能成为未来地面和太空接收器解决方案中的重要技术选择。

侯 丽, 杨 帆 译自: http://ieeexplore.ieee.org/iel5/4452319/4452320/04453192.pdf?tp=&arnumber=

4453192&isnumber=4452320检索时间：2008年2月22日

短 讯

法国国防采购局开展实时LOLA示范验证

2007年6月，在法国巴黎布尔盖特（Le Bourget）的航空博览会上，设在法国国防采购局（DGA）台架上的实时激光光学链路进行了现场验证。该链路经由法国南部的“Mystère（神秘）20”飞机和地球同步卫星，可以在布尔盖特与航行器之间实现双向（two-way）通信。DGA台架上的团队一直与航空器上的飞行人员保持系。此外，在实验基地的屏幕上可以看到飞行舱里以及地面情况的清晰图像，证实了这种激光光学链路的运行性能。上述实验验证是紧跟在法国的一项飞行测试活动和2007年5月30日在图卢兹为法方代表成功演示的实时验证之后进行的。

2006年12月，Astrium公司在世界上首次实现了在由位于Istres的法国国防采

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购局的飞行测试中心提供的“Mystère 20”飞机和Artemis通信卫星之间的双向激光光学链路。2007年年初，Thales Alenia空间通信链被整合入系统中，利用该系统通过Artemis地球同步卫星第一次使得地面上和航空器之间的音频和视频数据通信实现同步。此后，作为飞行测试项目的一部分，成功完成了50多次通信试验。该项目将用于阐释传输频道的特性，以及在复杂的天气状况从不同的高度接入系统的性能和可靠性。

Astrium公司设计和建造的LOLA作为一个光学终端从技术上是可行的，可以作为未来无人机（drone）系统中的一个先驱。在LOLA中融入了大量的创新技术，包括：（1）终端设备中主要的光学元件采用碳化硅（SiC）制造，可以满足机械稳定性要求；（2）尽管接收到的光学信号功率很低，采用CMOS（互补型金属氧化物半导体）传感器仍然能够对卫星进行探测和跟踪；（3）采用高精确半球形宽带指示装置可以实现快速卫星探测；（4）通信链将激光调制解调器与强大的数据处理工具相连，数据处理功能包括DVB-S2的自我纠错代码和一个革新的框架同步系统；尽管穿过大气的光束传播会引起明显的信号波动，同步系统的误差率仅为10-9。

这些创新使得Astrium公司可以在航空环境中验证其产品卓越的系统性能：50 Mbit/s高效传输；捕获时间小于1 s；指示的精确度优于1微弧度。

用来设计、监测地面部分与航空部分的系统建构为项目的成功实施作出了重要贡献。从LOLA中获得的经验将为确定未来的操作系统发挥重要作用。

应用于军事领域的光学激光链路的优势数不胜数：它们是离散的，可以抵抗反测量，不宜中断，可以兼容射频窃听，可在高速数据传输（100 Mbit/s到1 Gbit/s）状态下运行。此外，由于激光光学链路无需频率协调，不会出现超载的情况，且功率低，对于民用和军用均有益。这都要归功于激光的使用，及其具备通过Ka波段地—空链路将数据同步传输到多个地址的能力。

LOLA的成功是图卢兹的EADS Astrium公司和Thales Alenia Space公司（该公司是Astrium公司的主要合作伙伴）及许多其他公司、代理处合作共同努力的结果，这些合作商包括：ONERA，ESA，Météo France，the Istre Flight Test Centre，BOOSTEC，CILAS，DASSAULT，IXSEA，LUMICS，SAGEM，SODERN和SUPAERO CIMI。与此同时，LOLA的成功证明了光学链路技术已经成熟，同时验证了在目前运用已有的技术，一个有效的光学通信系统传输速度可以达到1 Gbit/s。

侯 丽, 杨 帆 译自: http://www.astrium.eads.net/press-center/press-releases/real-time-lola-demon

strations-on-the-french-defence-procurement-agency-stand-at-le-bourget检索日期：2008年02月22日

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美国空军TSAT激光通信系统初步达到任务级要求

2007年初，以波音公司为首的联合研制集团首次成功演示了转型卫星TSAT激光通信系统以3倍数据率实现大容量通信的能力。

参与演示的试验性硬件和套件包括精密太空望远镜和瞄准电子设备、光学高性能放大器、低噪声放大器以及光学调制解调器。在此前3次演示试验所验证的性能的基础上，此次试验证明了系统的性能和互操作性满足的激光通信标准。试验证实了2006年2月进行的演示试验结果的可追溯性，并对升级的望远镜、新型高性能放大器和增加的数据率性能进行了评估。此外，波音公司分别在2.5 Gbits/s、10 Gbits/s和40 Gbits/s数据率下完成了通信性能和瞄准、捕获和跟踪试验。

TSAT将为美军提供一个安全的、远程的、高容量的通信中枢，从而确保在世界各地在任何情况下都可以拥有信息优势。波音公司现正在履行美国空军空间司令部空间与导弹系统中心授予的TSAT合同。在2007年4月进行的系统空间部分设计评审之前，波音公司还在2007年初进行了部件的演示和环境测试。

杨 帆 摘自: 应用光学, 2007, 28(3): 291.

检索日期：2008年02月15日

美学者呼吁国会和五角大楼继续支持TSAT计划

美专家在2008年2月的《军事与航天》（Military & Aerospace）电子杂志中呼吁国会通过继续对美国国防部（DOD）基于先进卫星的实时数据通信网络项目继续进行资助的计划。

五角大楼计划投资180亿美元用于转型卫星通信系统项目，即TSAT。该项目将提供地面与五个在轨卫星组成的星座之间的激光通信能力。这些卫星之间将通过链路使用激光向世界上的任何地方提供实时的数据通信。计划的系统传输数据的速度将与因特网相似，达到10到40 Gbit/s。

TSAT位于DOD规划的网络中心战结构的顶端，是全球信息栅格（GIG）的天基组成部分。TSAT将为没有地基连接的军方用户提供未来的高速网络接入点。TSAT将采用高速光通信、因特网协议网络路由和移动通信能力，为未来的作战者提供极大地提高通信的连通性、速度和灵活性。其在世界范围内对速度和改善通信能力方面的潜能是巨大的。

DOD网络中心战的概念旨在探索将飞机和军舰上的信息与单独的步兵战士连接成为一个类似因特网的巨大的网络。事实上TSAT也被称为“天空中的因特网”，它可能是未来全球军事网络中最重要的部分。如果所有传感器都处于网络中，包括步兵的夜视目镜、红外步瞄准和短射程无人机的可见光照相机，未来的作战能力将达到极高的水平。目前所做的就是利用未来的医学传感器检查士兵的心跳速率和体

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温，并将这些数据添加到网络中。

拥有了上述信息，指挥官将可以实时了解下一步的情况，从友军中识别敌人的方位，迅速掌握对方在战场上的的状况。可以想象，如果指挥官可以在战场上获得与传感器相关的信息，那将是一个怎样的世界。理论上可以洞悉俗话所说的“战争迷雾”。如此，倘若系统能够得到正确的管理，专家们能够谨慎对待信息安全，作战拥有足够的网络带宽，那么将军事用途中的所有细节都形成网络的概念将诱发出许多分枝。

然而，布什准备在2009财政年中将TSAT计划的预算从120亿美元减少到80亿美元。这很不平常。因为TSAT中包括各种先进技术项目，近年来由于优先考虑在伊拉克战争和阿富汗战争中的军费，TSAT的花费被极大地削减。

资金的减少将对整个项目的进展产生重要的影响。一些专家对此很忧虑，认为如果不改变计划的初衷，TSAT项目将无法再承受进一步的经费削减。TSAT是非常独特的，这是因为全球的通信从根本上而言是连通的，而TSAT计划形成激光通信链路而不是其它军事卫星通信系统使用的SHF和EHF无线电频率链路。激光可以携载海量信息，与较慢的RF信号相比不易受到敌方的拦截或干扰攻击。如果没有资金的支持，TSAT预期的性能将无法实现。其发展是复杂而困难的过程，并非军方领导以为的那么迅速和顺利，在亚洲西南的持续的军事行动已经用掉了项目研究工作的大量经费。

TSAT团队——洛马空间系统和诺格公司已经在项目中的激光通信能力方面取得重要进展，演示了激光通信模型硬件和软件在速度为2.5、10和40 Gbit/s条件下的运行情况。洛马公司是最早的项目承包人，诺格负责通信载荷，包括激光和无线电频率通信以及星载处理系统。美国空军在位于加州的Los Angeles空军基地的空间与导弹系统中信的MILSATCOM系统飞行中对项目进行管理。

TSAT的研发显然将花费巨资，同时试演失败也在所难免。专家认为，如果在项目初期因为研发错误或者可能的严重超支就砍掉对TSAT项目而言至关重要的研发经费是不智之举。

TSAT将代表世界通信领域的根本性的进步，并将取得巨大的商业通信利益。开发TSAT将是一个长期而艰苦的过程，且花费很高的，但是其值得五角大楼和国会给予最大的支持。

杨 帆 译自: http://mae.pennnet.com/display_article/319933/32/ARTCL/none/none/1/TSAT-deserv

es-support-from-Congress-and-the-Pentagon/检索日期：2008年02月15日

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