空間激光通信憑借其速率高、體積小、質量輕和功耗低的優勢，成為衛星間高速通信不可或缺的有效手段，特別在微小衛星應用場合，更能體現激光通信的優勢。文章詳細介紹了微小衛星激光通信技術領域最新的研究進展。在此基礎上，總結了需要突破的同軌終端輕小型化、異軌終端輕小型化、大氣湍流影響抑制等關鍵技術，歸納了工程化應用、雙工通信、單點對多點、國產化和批產能力 5 個方面的發展趨勢。 1 引 言

質量在 1000 kg 以下的人造衛星統稱為“微小衛星”。按照質量由大到小其又可以進一步劃分為小衛星、微衛星、納衛星、皮衛星和飛衛星等。該類衛星具有研制周期短、成本低的特點。由微小衛星構成的衛星網絡，在遙感、測距、通信等領域均有其優勢，尤其在空間信息網絡領域具有廣闊的應用前景，可以提供具有低延遲，低成本、高速度、高可靠性的衛星服務。微小衛星已被視為衛星互聯網的重要組成。

得益于衛星技術和航天發射技術的進步，逐漸具備低軌道微小衛星系統的大規模部署的條件，繼而對星間、星地互聯互通數據傳輸提出了更高的要求，同時微小衛星對其載荷尺寸、質量、功耗和成本，即 SWPaC（Size, Weight, Power and Cost）4 個方面要求很高。空間激光通信技術具有傳輸速率高、體積小、質量輕、功耗低、距離遠、保密性好和抗干擾能力強等特點，其中速率高、體積小、質量輕和功耗低的特點特別適合應用于微小衛星平臺，以適應高通量衛星星座對星間、星地數據傳輸需求。因此，微小衛星激光通信技術迎來發展契機。

微小衛星間通過激光通信方式進行互聯互通，構建成激光通信網絡。該網絡呈現“網狀網” 拓撲結構，根據通信鏈路類型的不同，各節點激光通信系統的用途、功能組成和技術參數也不同。

文章第 2 部分主要圍繞用途、功能組成和技術參數 3 個方面總結微小衛星激光通信系統的最新發展現狀，第? 3 ?部分總結微小衛星激光通信系統的關鍵技術，第 4 部分歸納微小衛星激光通信技術的發展趨勢。

2 微小衛星激光通信系統發展現狀

? 衛星星座各個衛星節點間的激光鏈路是通過搭載在衛星上的激光通信系統互聯實現的，近年來，典型微小衛星激光通信系統包括美歐日等國的 OCSD、CLICK、VSOTA、FITSAT 和國內的行云 T5。此外，商業化終端也正在形成，包括國外的 OPTEL-μ、Mynaric CONDOR 和 SA photonics Nexus 等。

2.1?OCSD

OCSD 衛星是由美國 NASA 和美國航空航天公司聯合研制的，旨在演示甚小衛星通過激光 通信提供高速率數據通信的能力，以驗證星地通信。

OCSD-A 星于 2015 年 10 月發射，試驗衛星因姿態控制系統發生問題，導致無法對星上的激光通信載荷進行測試。

OCSD-B/C 星于 2017 年 11 月發射，試驗驗證了衛星對地下行 50/100 Mbps 的通信能力。

OCSD-B/C 的主要技術參數如表 1 所示。

表?1?? OCSD-B/C 系統主要技術參數

OCSD 地面站的主要技術參數如表 2 所示。

表2? 地面站主要參數

下行 50 Mbps 和 100 Mbps 的通信結果如圖 2所示。可見，在沒有糾錯條件下誤碼率高達 1.0×10?6。

圖2? ?下行通信誤碼率（衛星對地）

2.2? ? CLICK-B/C

由美國麻省理工學院 MIT（Massachusetts Institute ?of ?Technology） 、佛羅里達大學 UF（University of Florida）和美國航空航天局埃姆斯研究中心（NASA Ames Research Center）聯合研制的CLICK 系統，用于驗證星間、星地激光通信。

CLICK-B/C 系統包括光學和電子學兩部分， 如圖 3（彩圖見期刊電子版）所示，終端上半部分為光學系統，下半部分電子學系統，外形尺寸為1.5 U（96 mm×96 mm×147 mm）。激光終端采用衛星作為粗指向機構（Coarse Pointing Assembly，CPA），利用星歷數據解算衛星開環粗指向。精指向機構（Fine Pointing Assembly，FPA）是快速反射鏡。

CLICK 終端設計中采用了信標光（976 nm）和信號光（1 537/1 563 nm），粗跟信標光收發分立設計，信標光發散角全角為 22.2 mrad（1/e2），發射功率為 250 mW，信標光接收分為兩部分，分別為粗跟位置解算和精跟位置解算兩個支路。其中：粗跟解算支路使用分立鏡頭 ，型號為 Aptina MT9P031，其通光口徑為 16.1 mm，利用 CMOS 面陣探測器解算光斑位置，信標光精跟位置解算支路用四象限探測器作為位置傳感器，與信號光收發支路共用開普勒 10 倍縮束望遠系統，通光口徑為 20 mm，利用微機電快反鏡（MEMS FSM）作為 FPA，空間光縮束后，經由近紅外/短波紅外分色片和短波紅外 1 537/1 563 nm分色片共分為 3 個光學支路，分別是信標光精跟位置解算支路，信號光發射支路和通信支路。在信標光精跟支路和信號光通信支路上裝有相應譜段的窄帶濾光片。信號光發散角全角為 120.2 μrad（1/e2），發射功率為 200 mW。通信支路利用 200 μm 空間靶面 APD 作為探測器。

圖 3? ?（a）CLICK 激光終端布局及（b）原理框圖

CLICK 的主要技術參數如表 3 所示。

表 3? ?CLICK 系統的主要技術參數

2.3? ? VSOTA

由日本情報通信研究機構（National Institute of ?Information ?and ?Communication ?Technology, NICT）和東北大學（Tohoku University）聯合研制的超小型激光發射模塊，用于驗證星地激光通信。

VSOTA 的組成如圖 4 所示。可見，VSOTA主要分為 VSOTA-COL和 VSOTA-E 兩部分，其中：VSOTA-COL 包括激光準直發射和立方體兩個部分，發射激光波長分別是 1 540 nm和 980 nm，采用分立光路發射方案，立方體用于裝星標校；VSOTA-E 為激光二極管驅動電氣部分。依賴衛星做 CPA，完成激光的指向功能。

圖 4? ? VSOTA 系統組成

VSOTA 的主要技術指標參數如表 4 所示。

表 4? ?VSOTA 的主要技術指標

2.4? ? FITSAT-1

日本在 2012 年 10 月，利用國際空間站 ISS（International Space Station）發射了一顆名為 FIT-SAT-1微納衛星，用于試驗星地可見光通信，如圖 5（彩圖見期刊電子版）所示。

該衛星上表面（+Z）裝載 50 顆綠 LED 陣列，下表面（ -Z） 裝載 32 顆紅 LED 陣列， 發散角為120°，波長為 520 nm，調制頻率為 1 kHz，占空比為15% 情況下，綠燈功耗為30 W，紅燈功耗為15 W， 軌道高度為 400 km，通信速率為 1~10 kbps。

圖 5? FITSAT-1 俯視圖和仰視圖

2.5? OPTEL-μ

瑞士 OPTEL 公司研制了 OPTEL-μ 星載終端。該項目啟動于 2010 年，目的是將 LEO 衛星上產生的數據以 2.5 Gbps 的速率傳輸到光學地面站，遵循輕小型、穩定型和多功能的原則，為各種低軌道小衛星平臺服務， 其系統組成如圖 6 所示。

圖 6? OPTEL-μ 系統組成

OPTEL-μ 終端由激光單元 LU（Laser Unit）、電氣單元 EU（Electronics Unit）和光學頭 OH（Op- tical Head）3 部分組成，3 者之間通過導線和光纖連接。

OH 內部集成了 CPA、光學系統和電氣單元3 部分。其中：OH 用于實現激光擴束發射、激光耦合接收和光束指向等功能；LU 包括激光源、調制器和放大器，用于生成待發射光源；EU 包括終端控制器、通信電子電源（TCU）、RF 模塊（RFM）和功率調節單元（ PCU）， 用于完成指向機構控制、激光器控制等功能。

OH 具有光束指向功能，可用于鏈路的建立與維持，在保證指向角度范圍和通光口徑的前提下，通過小型化設計，OH 的質量為 4.4 kg，體積為 204 mm×238 mm×226 mm。

OPTEL-μ 終端的主要技術參數如表 5 所示。

表 5? ?OPTEL-μ 的主要技術指標

2.6? Mynaric CONDOR

德國 Mynaric 公司的 CONDOR 星載終端如圖 7 所示。CONDOR 用于星間雙向通信，主要包括 CPA、光學系統和電子學 3 部分。

圖 7? ?CONDOR 系統組成

系統原理框圖如圖 8 所示。光路組件主要包括望遠鏡、FPA、提前瞄準機構（Pointing Ahead Assembly， PAA） 、窄帶濾光片（BP）?、 分光片（BS）、跟蹤探測器（CTS&FTS）、發射準直和接收單元。

圖 8? ? CONDOR 激光終端原理框圖

CONDOR 的主要技術參數如表 6 所示。

表 6? ?CONDOR 的主要技術指標

2.7? 行云 LaserFleet T5

2020 年 5 月 12 日，LaserFleet 公司為“行云二號”01 星（武漢號）和“行云二號”02 星研制的物聯網星間激光通信載荷以“一箭雙星”的方式發射成功。這是我國首次嘗試低軌衛星星間激光鏈路技術驗證。

LaserFleet 公司首款星間激光通信終端 T5 是搭載在微小衛星上的緊湊型激光通信終端。如圖 9 所示。

圖 9? ?LaserFleet 公司的星間激光通信終端 T5 布局

T5 設計指標如表 7 所示。

表 7? T5 主要技術指標

2.8 小 結

文中提及的 VSOTA、FITSAT、CLICK、OC-SD、OPTEL-μ、CONDOR 和 T5 幾種激光通信終端由于衛星平臺能力、業務數據帶寬、組網方式等不同，相應的系統組成也不同，主要區別體現在光束指向機構方案不同。通過表 8 可以看到，為滿足發射端光束指向要求，第一種方式是依賴微小衛星做 CPA，這時激光終端自身帶有 FPA 或者不帶 FPA[13]；第二種方式是激光終端自身配有 CPA 和 FPA。另外， 對于通信距離遠的場合（CONDOR 終端），由于通信雙方相對運動會導致發射對準難度增加，這種情況下須配有 PAA。

表 8? 激光通信終端光束指向機構

3 微小衛星激光通信的關鍵技術

3.1 星間同軌激光通信終端輕小型化

星間同軌通信場合下，根據軌道高度和軌道面布置衛星數量的不同，通信距離約為 3 000~6 000 km，依據衛星姿態，光束粗指向范圍小于 5°。為完成星間互通互聯，一顆衛星上安裝的終端數量為2~3 顆，終端質量一般小于 8 kg。典型的同軌星間激光通信終端原理框圖如圖 10 所示，發射接收部分采用光譜分光方案。

圖 10? 典型同軌激光通信終端原理框圖

為了達到輕小化目的，進一步縮小系統規模， 除了考慮采用高集成度電子學系統外，還需要進一步優化跟瞄機構和減少光學支路的數量，主要包括兩方面：

（1）CPA?和?FPA?一體化技術

同軌終端的 CPA 多數情況下為擺鏡，用以修正初始瞄準指向偏差和光束的慢速漂移，由于擺鏡位于終端望遠鏡前端，鏡面尺寸大。高分辨率的精跟探測器（FT sensor）為 FPA 提供位置反饋，從而實現高精度快速跟瞄。

從 CPA 優化角度出發，在滿足偏轉角度的前提下，提高系統諧振頻率，從而獲得更高的系統閉環帶寬，即使其具有鏡面尺寸大，運動范圍大、諧振頻率高、分辨率高的特點，如何降低系統功耗和質量，提高分辨率是關鍵。

從 FPA 優化角度出發，在滿足諧振頻率和分辨率的前提下，提高偏轉角度，終端即可獲得更大的光束指向范圍。該類機構的要點是如何在保證大偏擺角度的同時獲得高分辨率，同時保證一定的鏡面尺寸，使其滿足光學縮束和裝調要求。

（2）位置探測支路和通信支路一體化技術

對于通信速率要求不高的應用場合，將光斑位置探測支路和通信支路合二為一是實現小型化的有效途徑，這樣減少了光學支路和分光組件。但是該類系統對于探測器響應和電子學處理系統提出了更高的要求。

3.2? 星間異軌激光通信終端輕小型化

星間異軌相比于同軌通信場合復雜，通信對象可以是同星座的異軌道衛星，也可以是不同星座的衛星，軌道高度從低軌道到高軌道，通信距離范圍大，約為 3000~36000 km，而終端質量受微小衛星平臺約束，往往小于 20 kg。典型的異軌星間激光通信終端原理框圖如圖 11 所示。

圖?11????典型異軌激光通信終端原理框圖

異軌終端 CPA 是角度擺動范圍較大的機構， 如 U 型架、潛望式、大偏擺鏡等，由于通信距離遠，望遠鏡通光口徑偏大，約為 80~200 mm，通信雙端距離遠，便于搜索捕獲，系統中還存在大發散角的信標光（Becon laser）發射和用于粗跟的信標光位置探測單元（CT Sensor）。

為了進一步降低系統規模，除考慮高集成度電子學系統外，還需要縮小光機部分的尺寸和重量，主要包括 3 方面：

（1）粗跟精跟探測器一體化技術

星間異軌終端有 CPA 和 FPA，在圖 11 所示的系統中，CT sensor 為 CPA 提供位置反饋，FT sensor 為 FPA 提供位置反饋，粗精跟探測器一體化設計，無疑是精簡了位置探測環節，但是要點在于如何保證捕獲階段大視場和精跟階段的高分辨 需求，如何實現一個位置探測器對應粗精跟執行結構的運動解耦，如何匹配粗精跟位置反饋不同頻率要求等，以上因素均為其研究要點。

（2）CPA 和望遠鏡一體化設計技術

CPA 和望遠鏡在異軌終端結構尺寸中占據很大比重，保證有效通光口徑，實現二者一體化設計，是實現輕小型的關鍵。以折射式望遠鏡和二軸運動機構為例，圖 12 給出了兩種一體化設計思路。該種思路的關鍵點是光機耦合設計的同時，還需要保證光學系統的性能及裝調可行性。

圖 12? 折射式望遠鏡及兩軸轉動結構一體化設計

（3）無信標光捕獲技術

無信標光捕獲技術，即利用信號光實現不確定區域的發射掃描和利用信號光位置探測支路實現不確定區域的捕獲：一方面， 利用 CPA 和FPA 在掃描角度和掃描頻率兩方面相互補充，實現高效的區域掃描；另一方面是實現發射束散角和接收視場角的實時可調，從而確保雙向捕獲的效率，而發射束散角往往是幾十微弧度量級，如何保證發散角調整過程中，光軸晃動偏差實時修正是無信標光捕獲技術的實現要點。

3.3 星地通信大氣影響抑制技術

星地激光通信鏈路，大氣會給激光傳輸帶來衰減、閃爍和漂移等影響，出現激光光束質量裂化、接收端光功率起伏范圍大、接收光功率衰減增加等現象，導致光學接收支路調光困難，退化光斑位置提取處理復雜，跟瞄精度下降，通信質量變差，通信距離減少等問題。當前，大氣影響因素是星地激光通信鏈路規劃、激光通信終端設計過程中一個無法量化的因素。通過加大接收光學天線口徑、引入自適應光學技術、高階調制解調方法、編碼糾錯和光纖章動等技術手段能一定程度上抑制大氣影響。但不同地域、不同天候以及環境變化帶來的大氣影響是實時變化的，因此，激光通信大氣影響抑制技術屬于理論和實踐不斷迭代、不斷深入的一項技術。

4 發展趨勢

4.1 太空互聯網大發展將加快微小衛星激光通信技術從演示驗證向工程應用的步伐

當前國內外空間信息網絡發展迅猛，據悉，中國航天科技集團“鴻雁”星座（300 顆）、中國航天科工集團“ 虹云” 星座（ 156 顆） 和“ 行云” 星座（ 80 顆） 、 中國電子科技集團“ 天地一體化”（ 80 顆 ） 等 ；國 外 “ Kuiper” 星 座 （ 3236 顆 ） ， “Telesat”星座（298 顆），“Starlink”網絡（1.2 萬顆）等星座大都由低軌道微小衛星組成，大都將激光通信列為其骨干傳輸鏈路方式之一。其中， 截止 2020 年 4 月 22 日，“Starlink”星座在軌衛星已經達到 422 顆，計劃從 2020 下半年開始發射裝備有星間激光通信鏈路的衛星。

從軍事應用角度看，歐美等國家也在加快布置微小衛星互聯網。據美國國防部高級研究計劃局（DARPA）官網 2020 年 5 月 11 日報道，DARPA正在與美國太空軍和太空發展局合作，計劃于2020 年底和 2021 年將“黑杰克”項目的小衛星發射到低地球軌道，用于驗證衛星星座自治和空間網狀網技術。該星座星間互聯采用了激光通信技術，激光終端由SA 光子公司提供。

由上可見，太空互聯網大發展，軍民兩大應用領域都將加快微小衛星激光通信技術的發展步伐，縮短從演示驗證向工程應用的過渡時間。

4.2 終端雙向傳輸能力需求

衛星業務數據最終要回傳至地面，建立具有中繼數傳能力的微小衛星星座，實現數據在星間的中繼傳輸，是實現衛星對地下行傳輸行之有效的手段。因此，具有雙向數傳能力的星載激光通信終端更加適用于微小衛星應用場合，而收發速率匹配是實現高效率中繼的保障，因此，激光終端要具有全雙工高速率通信能力。德國 Mynaric 公司的 CONDOR 終端目的即實現星間全雙工 5~10 Gbps 通信。

4.3 單點對多點通信能力需求

隨著激光通信技術在天基通信網絡（GEO、 MEO、LEO）中的逐步應用，激光通信組網成為未來主要發展趨勢。然而，受激光發散角小、動態接入、空間環境等影響，當前激光通信都是點對點互聯，實現衛星組網的，因此，單個衛星上需要安裝多臺激光通信終端。受微小衛星平臺資源限制，解決上述問題可通過優化終端質量功耗，達到要求更加嚴格的 SWaP 水平；研究動態路由解決接入問題；研究激光終端單點對多點通信能力。對于瞄準星間組網一點對多點的目標，美國加利福尼亞大學研究的 ISOC（ Inter-spacecraft Omni- directional Optical Communicator）提供了一種思路，系統中每個單元利用 MEMS 快速反射鏡擺掃可覆蓋±12°的光學空間錐角，將多個發射接收單元拼接為陣列球型，可實現全天域空間角度覆蓋（除衛星安裝面遮擋外）。ISOC 系統光學頭布局和實現原理如圖 13（ 彩圖見期刊電子版） 所示。系統設計指標如下：通信距離為 200 km，通信速率為 1 Gbps，波長為 850 nm，發射功率為 1 W。

圖?13????光學頭布局及原理圖

4.4???整機國產化能力需求

微小衛星激光通信終端主要包括瞄準、跟蹤、光電位置探測和調制解調等部分，單元組件包括光學元件、電機、測角組件、快反、光斑位置解算（CMOS 焦平面探測器、QAPD 等）、通信組件（耐輻照光纖、光纖放大器、直接探測器組件、相干探測組件等）、信號處理組件（FPGA、DSP等），當前我國相關研究機構正在開展相關組件的國產化研究，整機國產化率要求也將從組件國產化發展為器件國產化。

4.5? 批量生產及低成本能力需求

未來對微小衛星激光通信終端的需求量巨大，發射組網規劃要求縮短生產周期。綜合考慮以上要求，微小衛星激光通信終端研制方應在具有批量生產能力的同時降低終端研制成本，保證SWPaC， 最終形成貨架產品 COTS（ Commercial Off The Shelf）。

5 結束語 ? ?

空間激光通信憑借其帶寬大、質量小、功耗低等優勢，有望成為未來空間高速通信的主要方式，在衛星互聯網的應用中扮演重要角色。美國、歐洲和日本均已深入研究空間激光通信關鍵技術，且完成了多項在軌試驗，正走向商業化運行，微小衛星激光通信領域發展也很迅猛，多項驗證均已開展。我國雖然起步晚，但是近年發展很快，完成了 LEO-地 、GEO-地 、MEO-地 、MEOMEO、GEO-GEO、空空、空地等多項試驗驗證。

本文以微小衛星激光通信系統為切入點，綜述了其部分發展現狀，歸納了發展趨勢，有助于該領域研究人員及時了解發達國家在微小衛星激光通信領域的發展現狀和發展規劃，有利于提前做好技術準備，使我國空間激光通信技術穩步推進， 讓該技術助力微小衛星互聯網快速發展。

本文轉載自《中國光學》2020年第6期，版權歸《中國光學》編輯部所有

作者：高世杰，吳佳彬等

審核編輯：黃飛

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