无人机激光通信中继载荷发展现状与关键技术研究
作者：茹乐 郭海超 刘亚擎
来源：《无人机》2017年第07期
        随着无人技术的快速发展，无人机将会更多的替代有人机执行各种侦察、监视、打击以及信息支援作战任务。因此，无人机对信息传输需求也越来越大，然而由于高度依赖通信链路，无人机在战场复杂电磁环境下容易被干扰甚至欺骗，这已成为制约无人机快速发展的一个瓶颈问题。
        激光通信的兴起
        未来无人机作战面临的通信问题和需求主要有：（1）无人机携带更多侦察和遥感载荷带来的数据传输需求；（2）无人机遥控总中心与无人机飞行控制基地之间的数据共享需求；（3）无人机遥控中心与无人机之间人机交互信息的需求；（4）无人机微波传输信息对抗干扰和保密的需求；（5）无人机与地面遥控的总中心之间的信息实时性交互的需求；（6）无人机之间的编队飞行之间的信息共享和战场单机突防的信息交互需求。
        从上面的需求来看，未来通信技术需要在保密和抗干扰的前提条件下，通信速率更高，实时性更高，通信距离远，现有通信数据链无法完全满足要求，激光通信是解决该问题的有效手段之一。激光具有高度的时间和空间相关性，其振荡频率很高，激光频率（典型如1μm波长）比微波频率（典型如10GHz） 高约4个数量级以上。因此，卫星的自由空间激光通信相对于微波通信具有如下明显的优点：带宽大、数据传输速率高、天线尺寸小、抗干扰保密性好。自由空间激光通信能够以1%的微波天线面积获得10～100倍的数据传输速度，预期自由空间激光通信能够实现高达数百千兆比特每秒的传输速率，在传输同样高码率条件下，它还具有体积小、重量轻、功耗低的优势。所以有必要发展激光通信技术。无人机数据链重点发展机-星激光链路，机-机间的激光链路。
        卫星激光通信技术发展现状
        由于激光通信载荷具有体积小、重量轻、功耗低、通信码速率高的优点，在激光器诞生伊始就预计卫星激光通信是星间通信的前沿课题。为此，欧洲航天局（简称欧空局）、日本、美国等技术先进国家和地区从二十世纪七、八十年代就开始进行激光通信的研究工作，经过三十多年的研究，卫星激光通信已完成了两个里程碑的演示验证工作，进入了卫星激光
通信大发展的前夜，如图2所示。这两次里程碑式的星间演示为：2001年11月21日，欧空局的中继卫星ARTEMIS与法国地球观测卫星SPOT-4之间的50Mbit/s的激光通信试验。2008年2月，欧空局的低轨合成孔径雷达卫星TerraSAR-X和美国低轨卫星NFIRE之间实现的5.5Gbit/s的相干通信体制的高速通信试验。第一个里程碑验证了卫星激光通信的快速捕获和高精度跟踪技术的可行性和可靠性；第二个里程碑验证了高数据率传输的可行性和可靠性。
        ARTEMIS卫星上的光学数据中继有效载荷（ODR）是半导体激光器星间链路试验（SILEX）计划的一部分，其主要任务是为SPOT-4卫星上携带的LEO用户载荷和Artemis卫星间提供一条高数据率（50Mbit/ s）的星间链路。系统前向链路速率为2048Kbit/s，返回链
路速率为50Mbit/s，误比特率
        基于SOLACOS计划，德国航天中心DLR开展了一个更为系统的相干体制星间链路计划TerraSAR-X计划，目标是建立一套自由空间的X波段合成孔径雷达系统。2002年DLR为研制进程间通信实验TerraSAR-X卫星上的激光通信载荷开展了LCTSX（Laser Communication Terminal for SAR-X）计划。2007年6月15日安装了该载荷的TerraSAR卫星成功发射，2008年3月，美国NFIRE卫星与德国TerraSAR-X卫星使用激光载荷成功进行了空间宽带数据传输。相距5000km的两颗卫星建立了激光数据传输链路，以5.6Gbit/s的超高速数据传输成功地实现了双向通信。LCTSX载荷可以用来进行星间激光通信（德国LEO卫星 TerraSAR-X和美国LEO卫星NFIRE之间）以及星地激光通信。
        以欧洲数据中继卫星系统（EDRS）为例，该系统由三颗GEO卫星组成，其中一颗中继星是Alphasat。Alphasat卫星宽带数据中继计划，将实现低轨观察卫星Sentinel-X与高轨卫星Alphasat之间的在轨1.8Gbit/s激光通信，传输Sentinel-X 用户的300Mbit/s宽带数据。同时还将实现Alphasat卫星对高轨卫星的光学双向链接和Alphasat卫星和地面站的光学双向链接。实现中继星间相干通信和星地16-PPM通信实验。其中星间GEO-LEO光通信采用1064nm相干光通信体制。
        除TerraSAR-LCTSX系列相干激光通信终端外，ESA还与瑞士Oerlikon Space公司共同开发了采用光学锁相环（OPLL）相干接收机技术的OPTEL系列星间光通信载荷，成功实现了相干激光通信载荷的系列化。所研制的三种类型的载荷OPTEL02、OPTEL25和OPTEL80，可分别用于短程，中程和长程的星间链路。OPTEL25是GEOLEO相干光通信的典型代表。
        OPTEL系列载荷采用阶梯式泵浦方式，泵浦Nd：YAG激光光纤放大发射机及同步零差BPSK探测接收机。通信波长为1.064μm。
        20世纪80年代中期到1994年间，美国空军支持麻省理工学院林肯试验室研制高速星际激光通信试验（Laser Intersatellite Transmission Experiment，LITE）装置是世界上首次采用外差式接收方式的激光通信试验系统，其目的是验证相干激光通信的可行性。该试验采用30mW半导体激光器，200mm口径的望远系统，数据率为220Mbit/s，通信距离为40000km。
        2013年年底美国进行了月球激光通信链路验证（LLCD），LLCD终端利用NASA“月球大气和尘埃环境探测器”（LADEE）和NASA研制的地面终端（将部署在美国西部）之间实施高速率通信。通信速率40～622Mbps，16PPM通信体制，LADEE有效载荷将测试月球轨道与地球之间的激光链路。LADEE激光终端正由麻省理工的林肯实验室建造。
        NASA与劳拉公司太空系统分部签署了一份不寻常的寄宿有效载荷合同，NASA将投资2.3亿美元在地球静止轨道卫星和美国境内的NASA地面终端之间进行激光光学通信实验。目前NASA戈达德航天飞行中心正在建造一个重175kg的激光通信中继终端（LCRD），该终端将搭载在商业通信卫星上，预计2016年升空。DPSK调制解调，通信速率1.25Gbps，地面双站接收。
        从上面可以看出激光通信在卫星太空中的试验已经得到多次验证，并且已经突破了高精度远距离的捕获跟踪技术（跟踪精度3urad，捕获时间小于3s），高灵敏度激光通信技术（通信速率5.6Gbps，30光子数/bit）。已经具备任务载荷的能力，并且计划空天一体化的通信链路的构建。
        机载激光通信技术发展现状

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