第一章 概述
1.1 空天地协同激光通信简介
21世纪是信息技术急剧发展的时代，社会信息化程度不断提高。在民用方面，人们不仅能够从网络中获取海量的新闻消息、实现实时定位信息交互，还可以享受到高清视频网络会议、异地远程医疗通信等新一代业务带来的工作和生活上的便捷。在军用方面，随着无线通信和对地观测技术突飞猛进的发展，以及集群专网通信、无人机飞控、云计算、空间信息等新技术的不断涌现，空天地一体化的协同通信在处理重大公共安全突发事件中发挥着越来越关键的作用。美国陆军将卫星、空中侦察机、地面部队以及美国中央情报局等机构所获取的信息进行融合，通过导航定位和通信系统向旅及以下指挥层提供实时和近实时的作战指挥信息、态势感知信息和友军位置信息等，可以通过三维方式查看战场地形和态势。美国联邦调查局移动指挥车集成了地图、视频、音频和通信设备，可以指挥每个独立的作战小组。俄罗斯内务部防恐部队2012年开始装备的“Andromeda-D”自动化指挥系统，由多个移动式笔记本电脑组成前沿指挥网络，可以保障各级使用者实时进行信息交换，融合了无线电通信、卫星通信、二维电子地图和 GPS 或格洛纳斯系统自动更新位置信息。同时，我国国内也在大力发展天地一体化建设。
纵观国内外现状，协同通信成为了空天地一体化信息网络发展趋势。协同通信网络是指不依赖某一种技术方式，而是集合多种通信技术优势，来构建多功能、适用于多场景的信息网络。然而，传统的协同通信方式仍然存在传输速率低、抗干扰能力差、频率资源紧缺、应急性差、重量和功耗大等问题。
空间激光通信技术结合了无线电通信和光纤通信的优点，以激光为数据传输的载体，激光在两个终端的光学天线之间的链路中传输。激光载波的波长通常为大气窗口中的可见光或短红外光。由于激光的特性，自由空间光通信和传统的 RF系统相比，具有抗干扰能力强、安全性高、通信速率高、传输速度快、波段选择方便及信息容量大的优势。由于激光通信中使用的波长比 RF 波长短得多，所以激光可以实现更窄的波束，具有更小的发散角。其系统特点是体积小、重量轻、功耗低、结构简单、灵活机动，在军事和民用领域均有重大的战略需求与应用价值。美国已将发展空间激光通信技术列为与海陆空装备同等重要位置，欧洲空间局将其作为颠覆性技术进行攻关。我国在2011年实现了低轨星地504Mbps 激光通信，2017年实现了高轨星地双向5Gbps 激光通信，2020年先后实现了低轨星间双向2.5Gbps、100Mbps 激光通信。在“十三五”时期，我国就已将天地一体化网络建设列为重大工程项目。通过激光数据通信、数据转发、数据分发和数据暂存等实现空间高速网络通信，实现卫星遥感和卫星通信的全球实时数据传输，同时还可完成异地数据转发、应急成像数据转发等抗干扰保密通信业务。
空间激光通信技术可作为一种应急通信方案，应用于抗震救灾、突发事件、反恐、公安侦查等领域。具体来看，空间激光通信技术可为多兵种联合攻防提供军事保密信息服务，在局部战争、战地组网和信息对抗中优势突出。另外，受益于带宽高、传输快速便捷及成本低的优势，空间激光通信技术是解决信息传输“*后一千米”和第五代移动通信技术(5G)小微基站传输的*佳选择，也是实现高速和高可靠性通信的关键技术。传统的微波(RF)系统性能会受传输距离和电路板存储空间等的限制，而卫星激光通信技术使用先进的空间科学仪器，能够实现航天器与下行地面站之间的高速数据传输。
空天地协同应急激光通信系统是指在自由空间环境中，针对特定的场景需求，利用激光通信技术构建的一体化协同系统。特定场景包括异地保密通信、大容量的数据传输，以及频率申请资源较为紧张环境等。以激光和微波两种空间通信手段为例，两者各有优势，可以相互配合，构建激光/微波混合的网络，其中激光链路传输速率高、保密性好，在空间高速骨干网络中具有独*的优势和发展潜力，而微波链路覆盖范围广、穿透能力强，在用户接入和信息分发等方面具有优势。通过激光/微波混合组网体制试验，验证相关技术的可行性，为网络的建设提供技术支撑。在激光/微波混合网络中，可根据系统在轨运行状态和任务要求，动态设置传输体制和数据传输优先级，确保不同用户的通信容量和时效需求。
1.2 空天地协同激光通信链路技术发展概述
空天地协同激光通信技术以空基激光通信链路和空基激光通信网络为基础，利用空基激光通信终端，分别与星载终端、地基终端和舰载终端建立激光通信链路和组网，实现天基网络和地基网络数据的中继和互联。空天地一体化光通信系统中的各类激光通信终端，可根据自身位置姿态信息和对面终端位置信息，自动瞄准、捕获、跟踪并实现双向通信，实现自主建立和保持链路。通过空空/空地/空天/空海间点对点高速数据传输，解决现有微波链路的传输带宽受限问题，同时具有抗干扰和保密性好等优点。各类激光通信终端均可适应相应工作环境的高低温、力学、抗辐射等要求，对于高速平台(超音速飞机等)，具备共性技术。空天地一体化光通信系统可拓展现有天地一体化网络设计的应用范围，同时解决天地激光链路受大气影响可用度不高的问题。此外，该系统还可接入地面光纤网络，拓展现有通信系统维度。空天地海一体化光通信系统中，首先建立空基终端(飞机、无人机、浮空器、气球等空中平台)间激光链路，利用飞行器平台实现空基局域网络，如图1-1所示。本书将主要针对星地、空基以及地海激光通信技术进行概述。
图1-1 空天地一体通信系统
1.2.1 星地、星间激光链路
20世纪70年代末，美国率先研制出了第一个自由空间光通信终端，进行了室内演示实验，此后日本、欧洲各国等纷纷开展了卫星光通信技术研究。20世纪80～90年代，由于光源、探测器和光束控制相关的元器件技术水平有限，卫星光通信终端的体积、质量和功耗都较大，无法满足在空间环境运行的要求。近20多年来，随着半导体激光技术、高灵敏探测技术、无热化光学元件技术、集成化控制技术和轻量化光机材料技术等的发展，各国的卫星光通信技术已逐渐从地面模拟走向了在轨试验阶段，目前正逐步向航天工程实用化和商业化阶段迈进。
从国内外发展趋势来看，未来卫星光通信技术的主要应用场景是星间激光通信组网。空间激光通信具有传输数据率高、抗干扰和保密性好、不受微波频谱限制、光学天线体积小等优点。卫星组网技术可用于全球卫星通信、光学遥感实时传输、电磁遥感等多项航天服务领域，具有广阔的应用前景，其中采用激光通信技术解决星间数据传输问题是首选方案。
1.2.1.1 国外星地、星间光通信链路
欧洲国家
自1977年开始，欧洲空间局(欧空局，ESA)开展了一系列卫星光通信相关技术的研究。1989年以来，在欧空局的组织推动下，欧洲联合实现了国际上首次星间激光通信在轨试验和多次星间星地激光链路在轨试验：通过建立卫星和地面站之间光通信链路，验证了星载光通信终端在轨运行可靠性、大气传输干扰补偿能力和星地高速信息传输能力；通过建立高低轨星间、低轨星间光通信链路，验证了星间光束捕获跟踪性能、星间高速数据转发性能和相干通信性能等。
2001年，欧空局 SILEX 项目实现了世界首次星间/星地激光通信(图1-2)，利用 OPALE 终端与 PASTEL 终端建立了星间激光链路，利用 OPALE 终端与地面站间建立了星地激光链路，并进行了一系列在轨试验，如图1-3；2008年，欧空局 LCTSX 项目实现了世界首次星间相干激光通信(BPSK)；2016年，欧空局中继系统项目开始实施，1月份首颗 EDRS-A 高轨卫星发射入轨，年底开始实际应用并投入运营；欧空局计划利用4颗高轨卫星 EDRS-A/C/D/E 和地面设置构建星间/星地高速通信网络，提供全面的运营服务，到目前为止成功发射了EDRS-A/C，预计2024年发射 EDRS-D。
图1-2 欧洲激光通信发展重大项目及未来计划
图1-3 OPALE、PASTEL 星间激光通信终端和地面接收终端
在 SILEX 星间激光链路系统中，低轨到高轨卫星返向链路数据率为50Mbps，高轨卫星到低轨卫星前向链路的数据率为2Mbps，平均误码率在轨测试结果均小于10.6。在捕获跟踪性能测试中，平均捕获时间.150s，捕获概率优于95%，验证了星间激光链路系统关键技术和终端在轨运行可靠性。然而，SILEX 激光通信链路系统在重量、功耗以及通信性能方面尚未明显体现出卫星激光通信的优势，具体表现为：PASTEL 终端总重80kg，*大功耗为130W；OPALE 终端总重160kg，*大功耗为150W；链路的*大通信数据率仅为50Mbps。在后续报道中，ESA 研制的光通信终端逐步向着小型化和小功耗方向发展，以满足今后的应用需求。
德国航空航天中心(DLR)资助的著名项目 LCTSX 于2002年11月启动，试验的主要目的是建立同步轨道间、高低轨道间、高轨与地面站间的卫星光通信链路，验证在自由空间中进行相干通信的可行性。近些年来，为了进一步推进卫星激光通信技术的航天工程化应用，ESA 制定了欧洲数据中继系统(European DataRelay Satellite，EDRS)计划，在中继卫星与地面站之间建立微波和激光复接通信网络(图1-4)。
图1-4 EDRS 通信系统示意图
2015年，为了验证 EDRS 高轨和低轨卫星的星间/星地激光通信终端的性能，德国航空航天中心(DLR)首次建立了车载自适应光学通信地面站(TransportableAdaptive Optical Ground Station， TAOGS)，与第一和第二代 Tesat’s 激光通信终端进行了通信，链路系统采用1064 nm 波段和二进制相移键控(BPSK)调制。车载自适应激光通信终端实现了与低轨卫星(5.625Gbps 高速率通信)、地球同步卫星(Alphasat)激光通信终端之间的双向激光通信(光学数据率2.8125Gpbs，有效数据率1.8Gbps)。
EDRS 的第一个用户是搭载激光通信终端的哨兵1号和2号低轨卫星，星间链路设计*大通信速率1.8Gbps，通信光波长为1064nm。2016年1月27日，欧空局发射了首颗 EDRS-A 高轨卫星。EDRS-A 高轨卫星收到哨兵 A 卫星通过激光链路以600Mbps 速率传输的遥感图像数据，接收光学天线口径为135mm，通信距离45000km。2019年，欧空局发射高轨卫星 EDRS-C，预计在2024年发射高轨卫星 EDRS-D，上述3颗激光通信卫星与计划发射的 EDRS- E 将与地面构建星间/星地高速通信网络，提供全面的运营服务。
日本
日本自20世纪80年代开始卫星激光通信方面的研究，实现了高轨星地、低轨星地，达到国际先进水平，其激光通信发展重大项目及未来计划如图1-5所示。
图1-5日本激光通信发展重大项目及未来计划
2006年，日本 OICETS 项目实现了低轨对高轨星间激光通信，同时开展了低轨对地激光通信项目；2014年，日本 SOCRATES 项目采用5.8kg 的小型终端成功开展了低轨对地激光通信试验；2015年，RISESAT/VSOTA 项目中一个50kg级别的国际科学微小卫星，搭载了日本国家信息通信技术研究所研发的激光通信终端 VSOTA，目的是验证利用精确控制微小卫星本体姿态手段来建立低轨星地激光通信链路的技术，其微小卫星姿态控制精度可以达到0.04.(3σ)；日本原计划于2019年完成建设“激光数据中继卫星”计划 DPSK 相干调制激光链路，通信速率设定为2.5Gbps，该卫星实际于2020年11月发射成功，通信速率为1.8Gbps(返向)/50Mbps (前向)，通信制式为 RZ-DPSK-DD(返向)/IMDD(前向)；2020年3月，日本 SOLISS 双向通信链路的地面站完成安装，随后在地面站
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