从EDRS看国外空间激光通信发展

<p>　　2016年1月30日， “欧洲数据中继系统”(EDRS) (即太空数据高速路)的首个激光通信数据中继有效载荷EDRS—A寄宿在“欧洲通信卫星” (Eutelsat)9B上进入地球静止轨道。EDRS将提供1．8吉比特／秒的通信速率，成为首个商业化运营的高速率空间激光通信系统(图1)，标志着空间激光通信从在轨演示验证阶段迈入了工程化应用阶段。</p><p align="center"> </p><p>　　<strong>一、项目概况</strong></p><p>　　<strong></strong></p><p>　　<strong>1．背景与需求</strong></p><p>　　当前数据传输量的指数级增长对卫星通信容量和数据传输速率提出了更高的需求，而且近地轨道卫星通常需等待经过地面站上方的时机与地面交换数据信息，导致通信延时。相较通信带宽已达瓶颈的传统射频通信，空间激光通信具有高速实时性、高容量性和保密稳定性等特点，将成为未来军事和商业空间网络的重要构成系统。对欧洲而言，一方面，欧盟委员会与欧空局(ESA)共同实施的“全球环境与安全监测”计划将使欧洲空间通信基础设施每天从太空传输至地面的数据量达到6太字节；另一方面，欧洲仍依赖非欧洲地面站从对地观测卫星接收数据。为满足欧洲航天活动对空间数据传输速率、传输量和实时性日益增长的需求，摆脱对非欧洲地面站的依赖，保持空间通信的战略独立性，ESA发布了“欧洲数据中继卫星”项目。</p><p>　　<strong></strong></p><p>　　<strong>2．项目概况及历程</strong></p><p>　　EDRS是ESA和空客防务与航天公司在“公私合作伙伴关系” (PPP)机制下共同研发的世界上首个独立的商业化空间激光通信系统，通过采用激光通信技术在地球静止轨道为近地轨道卫星、机载平台向欧洲地面站近实时地中继大量数据(发展历程见表1)。EDRS将用于：近实时提供由对地观测卫星和机载平台获取的时间优先和敏感数据的传输服务，提高自然灾害监测和响应能力；为政府和安全部门需要的敏感数据提供近实时加密传输服务；使用户近实时地发送指令至自己的卫星。</p><p align="center"> </p><p>　　表1 EDRS项目历程</p><p>　　<strong>二、EDRS空间激光通信系统的构成与服务</strong></p><p>　　E D R S由一套寄宿数据中继有效载荷E D RS—A和一颗配置了数据中继有效载荷E D R S—C的专用卫星组成的空间段以及专用地面段构成。E S A拟在2 0 1 7年中期发射EDRS-C，在2020年补充第三颗卫星“全球网”（GlobleNet)，从而实现全球数据中继服务。</p><p>　　<strong>1．空间段</strong></p><p>　　EDRS—A激光通信终端(图2)寄宿在“欧洲通信卫星”9B上，包含一个用于光学星间链路的LCT(激光通信终端)和一个Ka波段终端。</p><p align="center"> </p><p align="center"> </p><p>　　EDRS-C仅包含LCT，装载于为其专门研制的EDRS-C卫星上。具体搭载平台及系统能力参数见表2。</p><p align="center"> </p><p>　　表2 EDRS节点宿主卫星和平台</p><p>　　LCT装有用于执行光学数据中继链路的所有子单元，包括提供发送和接收路径的数据电路、激光光纤放大器和对应的驱动电路。此外，它还负责运行、监视和控制子单元的计算机。LCT还包括一个与卫星主数据总线连接的数字接口、机械装置和光束扩展器。采用的激光锁相技术、二进制相移键控(BPSK)零差相干体制、自适应光学，以及1．064微米波长的单光载波等技术使其具有较高的检测灵敏度，能够显著放宽链路功率预算，特别适合超长距离的高速传输。2014年，EDRS采用的LCT已在静地轨道(GEO)卫星“阿尔法卫星”和低地轨道(LEO)卫星“哨兵”1A上完成速率达600JL比特／秒的LEO—GEO双向激光通信链路试验。</p><p>　　<strong></strong></p><p>　　<strong>2．地面段</strong></p><p>　　包括：①专用卫星控制中心(SC C)，被连接到EDRS—C航天器运行商，用于EDRS—A载荷时，作为载荷控制中心由德国宇航中心（DLR)和欧洲通信卫星公司联合操作；②位于德国奥托布伦的任务操作中心(MOC)和位于比利时雷杜空间服务中心的备份任务操作中心(B—MOC)，用于满足EDRS]IE务需求的用户接口；③2个接收地面用户数据的数据地面站(DGS)；④用于接收用户数据的馈电电路地面站(FLGS)和备份链路地面站(BFLGS)。</p><p>　　<strong></strong></p><p>　　3．EDRS服务</p><p>　　作为完全的商业服务系统，EDRS每天至少中继50太比特的数据量，可提供两种类型的数据中继服务，一种是光学类型，采用激光通信终端满足高速率传输需求，上行链路传输速率可达1．8吉比特／秒，距离可达45000千米；另一种是射频类型，采用400兆赫兹带宽Ka波段星间链路终端满足低速传输需求，传输速率为300兆LL特／秒。</p><p>　　EDRS—A可提供光学和Ka波段两种星间链路，EDRS—C仅提供光学链路。两种星间链路(ISL)均是双向的，被称为从LEONe]GEO的反向链路(RTN)和从GEONI]LEO的前向链路(FWD)。光学RTN服务是高速率信道，在“哨兵”模式下以600JLLt特／秒、“高级”模式下以1．8吉比特／秒速率传输用户数据(表3)；光学FWD服务是低数据率信道，可将遥控指令近实时地传送到LEO用户卫星。</p><p align="center"> </p><p>　　表3光学RTN服务两种模式的数据处理能力</p><p>　　<strong>三、国外空间激光通信发展态势</strong></p><p>　　20世纪90年代中期以来，欧、美、日在空间激光通信领域积极开展多项在轨验证试验(表4)。</p><p align="center"> </p><p>　　表4欧、美、日的历次空间激光通信试验</p><p>　　EDRS-A的成功发射将空间激光通信从国际合作拉向特色化发展与竞争的浪潮中，但总体显示出共性发展态势：发展到第二代的激光通信终端大多采用适用于更大传输速率和距离需求的相干体制；向全球覆盖、实时通信组网和超远距离深空通信的方向发展。</p><p>　　<strong>1．欧洲厚积薄发，拔得全球覆盖高速实时通信市场头筹</strong></p><p>　　欧洲早在20世纪80年代中期通过“半导体星间激光链路试验” (SILEX)项目首次验证了LEO至GEO轨道的星间通信。2008年，德国宇航中心基于BPSK和零差相干探测体制研制的第二代欧洲激光通信终端首次验证了近距离相干光通信，通信速率达到前所未有的5．625吉比特／秒。这些试验为其率先开启EDRS商业化运营之路奠定了雄厚的技术与经验基础。此外，欧洲还建立了世界上第一个深空激光链路，在5项月球探测计划中采用激光通信技术。</p><p>　　<strong>2．美国后来居上，领跑深空激光通信，以光通信网络整合通信架构</strong></p><p>　　2000年，美国开展的星地激光通信计划在轨试验失败，使其暂时落后于欧洲。但近年来瞄准深空激光通信领域，开展“月地激光通信演示验证” (LLCD)、“激光通信中继演示验证” (LCRD)等计划，采用多种新技术解决大气干扰、超长距离传输等问题，代表了深空</p><p>　　激光通信的最高技术水平。此外，美国正实施若干计划，拟通过构建空间激光通信网络整合现行通信架构。一方面通过“转型卫星通信”(TSAT)计划，联合众多企业和研发单位，构建空间激光通信网络与当前的射频通信网络结合，实现空间通信网络转型；另一方面，2014年开始研究“卫星一地面全球混合全光学网络通信技术”，基于中地球轨道激光通信系统，集成空间光通信与地面和海底光纤通信网络，以期实现4．8J&lt;比特／秒的星间激光通信速率和]200吉比特／秒的星地双向激光通信。</p><p>　　<strong>3．日本紧随其后，构建下一代小型激光通信终端全球数据中继网</strong></p><p>　　日本采取国际合作的策略进行空间激光通信研究，虽然早在1994年与NASA合作开展的GOLD项目完成了首个星地激光通信链路试验，之后通过OICETS项目分别与ESA和德国合作完成了星间通信和LEO对地通信试验，但整体发展速度落后于欧洲。与欧洲第二代终端相比，日本2008年开始研制的第二代终端“小型光通信终端” (SOTA)以小巧、低功耗见长。日本计划在2019年发射“光数据中继卫星”，将当前数据中继系统的微波链路替换为光学链路，预设通信速率达2．5吉比特／秒，届时将与当前日本高度重视发展的高分辨率对地观测系统协作，获得更高速实时的观测能力。</p><p>　　<strong>四、结束语</strong></p><p>　　EDRS仅开启了空间激光通信工程化应用的时代，若要以空间激光通信组网，全面整合现有射频通信系统、并用于深空通信，尚存在载波捕获难度大、大气环境对星地链路干扰大、缺乏行业统一标准等诸多问题亟待解决。我国在空间激光通信领域起步晚，与国外差距较大。总结国外发展经验教训，深入挖掘利用空间激光通信蕴含的军商用价值，对增强当前的空间系统的实时性、安全性以及未来的深空探测能力意义重大。</p><br />