前言：2023年6月28日，美國國家航空航天局NASA宣布其首個雙向激光中繼系統完成了第一年的在軌實驗，NASA相關負責人認為該技術可能成為從太空發送和接收數據的未來技術手段。

計劃背景

長期以來，空間天文臺與地球之間的通信鏈路一直是關鍵的任務系統驅動因素。科學或探索發現的信息必須傳回地球;傳回的數據越多，該任務產生更有價值的科學成果的可能性就越大。隨著時間的推移，一些技術如更高的數據帶寬射頻通信和無損數據壓縮，已經提高了能力，但無法跟上當今可以在太空中飛行的先進儀器的需求。

光通信（或激光通信）是一項革命性的技術，可以使NASA能夠在未來承擔更復雜的任務，這些任務需要更快的數據傳輸速率，同時減少航天器的質量、尺寸和功率負擔。對于相同的數據速率（例如1Gbps的輸出），光通信系統將比可比較的射頻系統需要更少的質量、功率和體積。

除了可能節省質量、重量和功率之外，更高的數據帶寬將使具有當前數據量的任務能夠在需要更少通信活動時間的情況下運行。通信時間的節省將減少航天器和支持通信網絡基礎設施的操作限制。

LCRD計劃介紹

激光通信中繼演示項目（LCRD）是由美國宇航局戈達德太空飛行中心（GSFC）、噴氣推進實驗室、加州理工學院（JPL）和麻省理工學院林肯實驗室（MIT/LL）進行的聯合項目。

2011年，LCRD計劃選定開發，原計劃于2019年在商業衛星上發射。

2018年5月，美國審計總署（GAO）表示，雖然出現了延誤、資金削減和成本超支的情況，但它應該可以在2019年11月之前準備好發射。

到2020年4月，項目繼續延誤和成本超支問題，遲遲無法發射，直到2021年12月7日，LCRD作為美國空軍太空測試計劃衛星（STPSat6，STP-3發射的一部分）的有效載荷由Atlas V火箭發射升空，預定軌道略高于地球靜止軌道。

LCRD使用紅外光或不可見激光來傳輸和接收信號，而不是航天器上傳統使用的無線電波系統。

LCRD的主要任務是在運行環境中提供兩年的連續高數據速率光通信，演示光通信如何滿足NASA對更高數據速率的不斷增長的需求。此外，LCRD的架構將允許它作為空間中的測試平臺，用于開發額外的符號編碼、鏈路和網絡層協議等。

LCRD的有效負載包括：兩個光通信模塊、兩個光模塊控制器、兩個差分相移鍵控調制解調器、兩個脈沖位置調制（PPM）解調器。

LCRD有效負載包括一個星跟蹤器和兩個光學模塊（左），它們產生紅外激光，將數據傳輸到地球或從地球傳輸數據

LCRD慣性穩定光學模塊

每個光學模塊都配備一個4英寸的反射望遠鏡，產生約15微度的下行光束。它還容納了一個空間采集探測器，這是一個簡單的象限探測器，視野約為2微弧度。它既用于檢測掃描的上行信號，也用作信號初始拉入的跟蹤傳感器。望遠鏡通過一個磁流體動力慣性參考單元（MIRU）安裝到一個兩軸框架上。MIRU中的角速率傳感器檢測角擾動，然后使用音圈執行器進行望遠鏡的慣性穩定。光纖將光模塊耦合到調制解調器上，調制解調器對傳輸的光波形進行處理。每個光模塊及其對應的調制解調器的控制由控制器提供。在發射過程中，每個光模塊都用蓋子和一次性發射鎖存器保持和保護。

LCRD飛行調制解調器

光子計數和脈沖位置調制（PPM）已被確定為深空任務的首選技術，而差分相移鍵控（DPSK）是目前近地任務的首選技術。LCRD將演示這兩種技術。

光子計數PPM具有很高的光子效率，盡管由于探測器的限制和對更快電子設備的要求，最終數據速率受到限制。LCRD利用為NASA月球激光通信演示（LLCD）開發的PPM調制解調器作為提供PPM信號的成本效益方法。LLCD調制解調器支持39～622mbits/s的可變下行速率和10～20mbps的可變上行速率。

PPM飛行發射機用1/2速率連續連接PPM（SC-PPM）渦輪碼對數據進行編碼。編碼的數據流是卷積交錯的（以減輕大氣衰落的影響），并使用16-ary PPM調制方案進行調制（信號被放置在每16個時間槽中的一個）。使用5GHz槽時鐘速率實現最大數據速率;通過組合連續的插槽來實現較低的數據速率，有效地降低了時鐘速率，最小插槽速率為311MHz。光調制是由一個主振蕩器功率放大器（MOPA）結構完成的，用Mach-Zehnder調制器調制1550nm的連續波（CW）激光，并用兩級摻鉺光纖放大器（EDFA）將其放大到平均功率為0.5W。

PPM飛行接收機是一種光學預放大直接探測接收機。經過放大和濾波后，信號被光分割以執行空間跟蹤、時鐘恢復和通信。上行通信信令是4-ary PPM，用一個簡單的雙比較解調器執行二進制硬決策。所接收的上行鏈路數據流被去交錯和解碼（在上行鏈路上應用速率-?SC-PPM編碼）。

LCRD還將支持差分相移鍵控（DPSK），DPSK具有卓越的噪聲容忍度，可以在極高的數據速率下使用，并且在太陽處于視野中時支持通信。LCRD利用MIT/LL先前設計的DPSK調制解調器作為提供DPSK信號的經濟有效方法。它可以以72Mbps到2.88Gbps的（非編碼）速率傳輸和接收數據。在未來的中繼場景中，它可以被更高速率的DPSK調制解調器取代，該調制解調器將支持超過10Gbps的數據速率。

DPSK調制解調器在上行和下行方向上使用相同的信令。DPSK發射機以2.88GHz時鐘速率產生一系列脈沖。在連續脈沖之間的相位差中編碼一個比特。由于解調是由Mach-Zehnder干涉儀完成的，時鐘速率保持固定。DPSK發射機采用了類似于PPM發射機的MOPA架構。

EDFA將光信號放大到平均功率為0.5W。低于最大值的數據速率是通過“突發模式”操作來實現的，在這種模式下，發射機只在一小部分時間內發送脈沖，其余時間不發送光功率。由于EDFA受平均功率限制，使得脈沖期間的峰值功率增加。

DPSK接收器具有一個光學前置放大器級和一個光學濾波器，在這一點上，光在時鐘恢復單元和通信接收器之間被分割。接收器使用延遲線干涉儀，然后是平衡的光電探測器來比較連續脈沖的相位，對每個通道位做出艱難的決定。

雖然編碼和交錯將應用于地面終端以減輕噪聲和大氣衰落，但DPSK飛行接收機既不解碼也不去交錯。調制解調器轉而支持中繼架構，其中上行和下行鏈路錯誤在位于目標地面站的解碼器中一起糾正。

光學終端的高速電子設備連接

作為光中繼演示，LCRD將在兩個地面站之間建立中繼連接。LCRD的一個重要目標是在地球同步軌道航天器上演示先進的中繼操作。LCRD將通過連接兩個光學終端的高速電子設備（HSE）實現各種各樣的繼電器操作。除了實時中繼操作外，電子設備還允許一條鏈路使用DPSK信號，另一條鏈路使用PPM信號。通過大氣進行光通信的一個已知挑戰是易受云層覆蓋的影響。HSE將包括大量的數據存儲，以便在上行鏈路可用但下行鏈路不可用的情況下演示存儲和轉發中繼服務。HSE將支持延遲容忍網絡（DTN）協議。為了支持DPSK光鏈路上的DTN，HSE將實現任何所需的解碼和去交錯，以便有效載荷能夠處理和路由數據（速率低于最大DPSK吞吐量）。鏈接操作將是可配置的，以支持各種場景。

地面站

LCRD地面部分由LCRD任務操作中心（LMOC）和兩個地面站組成。LMOC將執行LCRD有效載荷和地面站的所有調度、指揮和控制。

當與地球同步軌道航天器上的兩個光通信終端之一通信時，每個地球地面站必須提供三個功能：接收來自地球同步軌道空間終端的通信信號，向地球同步軌道空間終端發送信號，并發送上行信標波束，以便地球同步軌道空間終端指向地球上的正確位置。

地球上的接收器必須提供一個足夠大的收集器，以捕獲足夠的功率來支持數據速率;將這種光耦合到低噪聲、高效的探測器上，同時盡量減少耦合背景光;并對所接收的波形進行同步、解調和解碼。

目前LCRD有兩個地面站：位于南加州圣蓋博山脈的光學地面站（OGS）-1和夏威夷哈雷阿卡拉光學地面站（OGS）-2。

結尾

下一步，LCRD的首批運營用戶之一將是集成LCRD低地球軌道用戶調制解調器和放大器終端（ILLUMA-T）的國際空間站。該終端將從空間站上的實驗和儀器接收高分辨率科學數據，然后將這些數據傳輸到LCRD，LCRD再將其傳輸到地面站。數據到達地球后，將被傳送給任務運營中心和任務科學家。

編輯：黃飛