空间激光通信技术发展现状及展望

王天枢 ,  林鹏 ,  董芳 ,  刘显著 ,  马万卓 ,  付强

中国工程科学 ›› 2020, Vol. 22 ›› Issue (3) : 92 -99.

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中国工程科学 ›› 2020, Vol. 22 ›› Issue (3) : 92 -99. DOI: 10.15302/J-SSCAE-2020.03.014
我国激光技术与应用2035 发展战略研究

空间激光通信技术发展现状及展望

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Progress and Prospect of Space Laser Communication Technology

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摘要

空间激光通信技术是未来空间宽带信息传输的主要通信技术，具有带宽高、传输快速便捷及成本低的优势，是解决信息传输“最后一千米”的最佳选择。本文旨在系统把握空间激光通信技术的发展脉络，系统梳理了国内外空间激光通信技术在星地、星间、空地、空空等链路的研究与试验验证的发展情况，总结了激光通信技术在捕获跟踪、通信收发、大气补偿和光机设计等方向的关键技术研究热点。在此基础上，面向未来需求，归纳了空间激光通信技术在高速率、网络化、多用途、一体化、多谱段5 个方面的发展趋势。为进一步推动空间激光通信技术研究和产业化的发展，本文从实施基础研究计划、重视核心元器件研发、积极参与国际技术标准的制定以及引导相关产业发展4 个方面提出了发展建议，以期更好地促进我国空间激光通信技术的成果转化和应用。

Abstract

Space laser communication technology is a major communication technology for space broadband information transmission in the future and has the advantages of high bandwidth, fast and convenient transmission, and low cost. It is the best means to cover the“last kilometer” of information transmission. This study aims to systematically understand the development process of the space laser communication technology. It summarizes the development of research and experimental verification of the technology in China and abroad regarding satellite-ground, inter-satellite, space-ground, and inter-space links. The key technologies of laser communication are studied in detail regarding acquisition tracking, communication transceiving, atmospheric compensation, and optomechanical design. Based on this, five future development trends of space laser communication are summarized emphatically, that is, high speed, networking, multi-purpose, integration, and multi-band. To further promote the research and industrialization of the space laser communication technology, this study proposes implementing basic research plans, focusing on the research and development of core components, actively participating in the formulation of international technical standards, and guiding the development of related industries.

关键词

空间激光通信 / 天地一体化信息网络 / 高速率 / 激光组网 / 一对多激光通信

Key words

空间激光通信 / 天地一体化信息网络 / 高速率 / 激光组网 / 一对多激光通信 / space laser communication / space-earth integration network / high speed rate / laser networking / one-to-multiple laser communication

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王天枢,林鹏,董芳,刘显著,马万卓,付强. 空间激光通信技术发展现状及展望[J]. 中国工程科学, 2020, 22(3): 92-99 DOI:10.15302/J-SSCAE-2020.03.014

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一、前言

空间激光通信技术结合了无线电通信和光纤通信的优点，以激光为载波进行通信。空间激光通信技术具有抗干扰能力强、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，其特点是系统体积小、重量轻、功耗低、施工简单、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 [1,2]。

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“最后一千米”和第五代移动通信技术（5G）小微基站传输的最佳选择 [3]。我国天地一体化信息网络工程是落实“没有网络安全，就没有国家安全”的重大建设项目，包括空间网络的宽带骨干网、接入网等宽带空间信息传输 [4]，但由于传统微波卫星通信方式很难满足空间网络最高传输宽带 40~100 Gb/s 的需求，亟需建设空间激光网络来支撑这项重大工程。

鉴于空间激光通信技术发展的重要性和紧迫性，亟需对此开展全面的深入研究。基于此，本文梳理空间激光通信技术的发展现状，分析其关键技术情况，研判其未来发展趋势，并就此提出促进我国激光通信技术快速发展的对策建议。

二、空间激光通信技术的发展现状

目前，空间激光通信技术已在多种链路成功开展了试验，如卫星 / 地面、卫星 / 卫星、卫星 / 飞机、飞机 / 飞机、飞机 / 地面及地面站间等 [5]。美国、欧洲、日本、中国和俄罗斯等国家和地区在空间激光通信关键技术领域均已取得突破，且进行了多项试验验证（见图 1），积极推动空间激光通信技术的实际应用。

图 2 国内外高速无线激光通信技术的主要发展现状

注：1E+0n 表示 1×10n ；QPSK 代表正交相移键控；QAM-OAM-WDM 代表正交振幅调制–轨道角动量复用–波分复用；QPSK-OAM代表正交相移键控–轨道角动量复用；OAM-PM-WDM 代表轨道角动量复用 – 偏振复用 – 波分复用；QAM-WDM 代表正交振幅调制 – 波分复用；QAM 代表正交振幅调制；QPSK-OAM-WDM 代表正交相移键控 – 轨道角动量复用 – 波分复用；OAM-WDM 代表轨道角动量复用 – 波分复用；OFDM-OAM-WDM 代表正交频分复用 – 轨道角动量复用 – 波分复用；QAM-OAM-WDM 代表正交振幅调制 –轨道角动量复用 – 波分复用；DWDM 代表密集波分复用；VMDM-OFDM 代表矢量模分复用 – 正交频分复用；QPSK-WDM 代表正交相移键控 – 波分复用；QPSK-PM 代表正交相移键控；QDWDM 代表密集波分复用。

国外在空间激光通信技术高速率方面的主要研究进展有：2009 年，日本电气株式会社（NEC）实验室利用 QPSK 和多路输入 / 输出（MI/MO）相干检测方法实现了 112 Gb/s 试验 [24]；南加州大学采用 12 路 QAM-2 路偏振 -42 路波分技术在室内 1 m 的距离上实现了 100 Tb/s 自由空间光通信 [25]。2016 年，沙特国王大学采用 12 路 WDM 和 16-QAM 调制技术在室外 11.5 m 的距离上进行了 2.2 Tb/s 自由空间光高速通信实验 [26]，并在 2017 年采用3.6 b/s/Hz的频谱效率32-QAM调制在室外干燥的沙漠地区 100 m 的距离上突破了 1.08 Tb/s 自由空间光通信 [27]。

通过国际合作交流，我国在空间激光通信技术高速率方面的研究取得了重要进展（见图 2）。具体有：华中科技大学开展了一系列 OAM 超高速无线光传输试验，实验室内最高传输速率可达1.086 Pb/s [28~30]。该研究是在较短距离上的超高速无线光传输，但传输速率方面已达到了国际领先水平。另外，在长距离高速空间激光传输研究方面也取得了一定进展，如 2018 年长春理工大学与浙江大学合作，采用 3 路密集波分复用（DWDM）的QPSK 调试单路载波 40 Gb/s，在 1 km 距离开展了速率 120 Gb/s 的自由空间光通信实验 [31]，而后又突破了单路载波 128 Gb/s 和 3 路 DWDM 总速率384 Gb/s 大气传输 [32,33]。

（二）网络化

随着全球化和信息技术的发展，亟需建设具有不依托地面网络、无缝覆盖全球、高带宽和抗毁性能的空间网络。因此，依托空间激光通信技术实现的天基宽带传送网络是今后发展的重要趋势。

空间激光通信技术逐渐从点对点模式向中继转发和构建激光网络的方向发展。由于激光网络建设的主要难点在于激光发散角小、光信号动态接入以及受空间环境影响大等，因此构建激光通信网络时，需突破“一对多”的激光通信技术难题、研究动态路由解决接入方案、寻求激光通信和微波联合通信体制。长春理工大学提出的采用旋转抛物面结构设计一点对多点光学收发天线，实现多颗卫星间激光通信组网，光学原理简单，是探索解决这一难点的重大突破 [34]。

（三）多用途

随着空间激光通信技术的逐渐成熟，空间激光通信的高调制速率、远传输距离和低能耗的优点逐渐凸显。目前，空间激光通信技术已广泛应用于星间、星空、空空、空地等链路的宽带数据传输，并逐渐向深空探测、水下和地面接入通信扩展，用途越来越广。

深空探测是人类对月球、远距离天体或空间开展的探测活动，是了解太阳系及宇宙，揭示宇宙起源与演变，拓展人类生存空间的必然选择。月球探测工程的实施拉开了我国深空探测的序幕，随后又实施了火星探测工程 [35,36]。水下无线光通信作为一种新兴通信技术，具有容量大、带宽高、保密性好、抗干扰能力强等优势，已成为世界大国竞相发展的一项重要通信技术 [37]。利用可见光进行数据通信的无线光传输技术兼具照明、通信和控制定位等功能，易与现有基础照明设施相融合，且符合国家节能减排的战略思想，逐渐成为未来智能时代超高速泛在光联网的主要宽带传输方法。另外，在一些无法铺设光缆的特殊应用场合，如海岛之间、城市楼宇间、野外复杂环境等，空间激光通信技术可起到光纤通信技术所无法替代的作用。

（四）一体化

由于激光在高速通信和精密测距方面具有优势，近年来激光测距与通信一体化技术越来越受到重视。激光测距与通信一体化设计是以高速通信为主，兼顾精密测距，使用同一束激光和硬件平台实现测距和信息传输，进而实现同一套设备完成测距和通信的双重功能。2013 年 NASA 的 LLCD 系统已经成功实施月地高速激光通信与高精度测距的在轨演示验证 [38]，测距精度达到 3 cm；2014 年，北京遥测技术研究所完成了基于相干通信的测距和高速通信一体化的设计 [39]；2015 年，长春理工大学提出了空间目标测距、成像、通信一体化方案 [40]，其中激光通信信标光发射 / 接收和激光测距光发射/ 接收共用一个光学天线。

此外，激光和微波通信技术的融合，也是目前学术研究的热点，主要包括激光与微波收发融合、数据处理融合、微波信号的激光调制和产生等。目前，微波光子技术逐渐发展成熟，并已应用于雷达信号的激光传输和处理，未来该技术也将在激光与微波融合通信系统中应用。

（五）多谱段

随着多种光谱段激光技术的进步，从紫外到红外，甚至是太赫兹波段，均已出现了可应用的激光技术。由于各谱段在抗电磁干扰、云雾穿透能力、自组网等方面的优势各有不同，因此，未来空间激光通信利用不同谱段通信系统的优势，将大力发展紫外、可见、中红外、太赫兹等多谱段结合的通信模式。同时，加强多谱段通信的深入研究，以期通过多谱段联合应用来实现不同环境条件下的不间断无障碍通信。

与空间激光通信技术相比，紫外无线光通信技术无需严格的捕获、瞄准、跟踪就可实现非直视通信，在自组网、复杂电磁环境及特殊地形等应用中优势明显。加州理工大学于 2009 年理论研究了紫外光散射模型及探测器、调制方式的影响并进行了试验验证 [41]。太赫兹无线光通信方面，近年来也取得了突破性成果，中国工程物理研究院的太赫兹科研团队于 2017 年利用频率 0.14 THz 载波，成功开展了单路实时速率 5 Gb/s 的 21 km 远距离高速无线传输试验 [42]。

五、政策建议

目前，国内外在空间激光通信技术领域的发展均未形成规模，鉴于该技术的巨大发展潜力，世界各国积极投入人力、物力开展相关研究，并引导相关产业发展。近年来，欧洲、美国等国家或地区已在空间激光通信技术方面对星地、星间、空空等链路进行了部分商用化测试，我国也完成了相关的演示验证工作。因此，在这一领域我国与欧美等发达国家和地区的差距较小，在某些方面还具有一定的后发优势，但核心元器件依赖进口的问题尚未解决。为此，通过国家政策倾斜，加强顶层设计，重点突破卡脖子技术难题，推进空间激光通信技术产业化，使我国在该领域能够追赶甚至是达到领先水平。为推动空间激光通信技术的发展，提出如下政策建议。

（一）实施基础研究计划

空间激光通信技术的发展沿用了很多光纤通信及光学设计的技术，但根据新的应用特点会形成新的颠覆性技术，需要加强基础研究以取得突破。因此，建议尽快实施以高等院校基础科研为主的无线激光宽带传输与组网基础科学问题研究计划，在重点核心技术上取得突破，使我国尽快在该领域的基础研究和关键技术达到世界领先水平。

（二）重视核心元器件的研发

光电子、光学核心元器件的工艺水平制约了我国空间激光通信技术的发展，且进口依赖度高。因此，建议组织元器件研究单位、高等院校及企业开展关键技术攻关，并大力扶持技术成果转化。利用我国在光纤通信技术和产业领域引领世界技术与产品创新优势，面向未来空间信息网络应用，努力实现核心元器件的自主知识产权。

（三）积极参与空间激光通信技术标准的制定

随着空间激光通信技术的成熟并逐渐商用化，其技术标准的制定尤为重要。因此，建议从国家层面积极引导实施空间激光通信技术标准计划。通过组织高等院校、科研机构及相关企业开展技术标准研究，积极参与国际标准的制定，促进我国空间激光通信技术和产业化的发展。

（四）引导相关产业的形成和发展

随着空间激光通信技术的不断进步和应用领域的不断扩展，相关产业已逐渐形成，需正确地引导并促进产业健康发展。因此，建议对我国空间激光通信技术领域的产业发展进行合理规划，引导高等院校、科研机构和企业开展产业合作，利用基础研究和关键技术优势形成有效的成果转化，并促进产业快速发展壮大。

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基金资助

中国工程院咨询项目“我国激光技术与应用 2035 发展战略研究”（2018-XZ-27）；国家自然科学基金项目“基于锁模掺钬光纤激光器的空间高速信息传输特性研究”（61975021）()

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