国外研究进展：激光技术在宽带天基信息系统中应用的重大突破

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：图1-4美国TCA设想体系架构TSAT系统是整个TCA计划的第一步，也是其核心组成部分，它是以激光技术为基础的、保密的下一代宽带天基信息系统，图1-5为TSAT系统组成示意图。2014年4月2日，与AlphaSat卫星实现激光通信的LEO卫星“哨兵-1A”发射升空，可以说，Alpha SAT计划是卫星光网络的重大技术进步，更是中继卫星激光链路传输领域的重大突破。

为了充分获取和利用保障作战的各种信息资源，以美国为首的世界各军事强国均在天基信息系统的开发和建设上投入了大量的人力物力。表1-3给出了美军的天基信息系统建设现状，从侦察与监视、通信、导航等领域典型系统来看，业已形成较完整的天基信息作战保障体系。

表1-3　美军天基信息系统现状

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1）转型卫星通信系统（TSAT）

2002年美国政府设立遥测控制装置（TCA）项目，该项目能够提供前所未有的传输容量、可访问性、可靠性、抗干扰、防截获等通信服务，使得美国全球作战人员通过信息网络实现互联。TCA设想的网络由宽带全球卫星系统（WGS）、移动用户目标系统（MUOS）、先进极高频系统、先进极地系统和转型卫星系统组成，其网络架构如图1-4所示。TCA项目设想将美国的各卫星系统有效协同达到“网络化”联合作战，改变目前“烟囱式”发展格局，促进系统间信息共享、利用和融合。

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图1-4　美国TCA设想体系架构

TSAT系统是整个TCA计划的第一步，也是其核心组成部分，它是以激光技术为基础的、保密的下一代宽带天基信息系统，图1-5为TSAT系统组成示意图。系统是一个利用星载处理技术、星载IP路由和星间激光链路等技术，整合了宽带和防护系统以及情报数据的中继卫星系统，将激光和微波合二为一，组建一个基于网络中心的天基信息网络。星间激光链路将5颗卫星互联组成一个星座，通过直接或间接的方式与AEHF，MOUS，WGS，APS及ORCA互联，通过激光或者微波链路和其他数据卫星、预警机、无人机及地面信关站互联。

TSAT计划最终由于各种原因而搁浅，当前从建设和作战应用来看，美军的天基系统各子系统还未真正实现有效融合，限制了系统效能的发挥。但TSAT转型卫星概念的提出，旨在将各分散子系统全面融合，美国天基信息系统的发展历程为我国天基信息系统建设提供有益的参考和借鉴作用。

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图1-5　美国TSAT系统组成

2）Alpha星计划

Alpha星计划（Alpha SAT）是由欧洲航天局（European Space Agency）和国际海事卫星公司（Inmarsat Global）联合推出的，计划包括发射一颗运行轨迹在东经25°上的中继卫星（GEO），主要面向欧、非、亚的用户，为其提供数据转发服务。在该计划中，提出了将激光链路组网应用到中继卫星中的概念。与半导体激光星间链路实验（SILEX）计划类似，由对地观测卫星（LEO）监测得到的地面数据通过激光链路传输到GEO卫星，而GEO卫星再运用Ka频段微波链路将监测数据传回到地面。与SILEX系统搭载的陆地合成孔径雷达（Terra SAR-X）计划激光通信终端（LCTSX）不同，Alpha SAT搭载了ALCT作为其激光通信终端，使数据传输速率提高至2.5 Gb／s，而传输距离可达45 000 km，实现了LEO卫星与GEO卫星的高速传输。2014年4月2日，与AlphaSat卫星实现激光通信的LEO卫星“哨兵-1A”发射升空，可以说，Alpha SAT计划是卫星光网络的重大技术进步，更是中继卫星激光链路传输领域的重大突破。

3）欧洲数据中继卫星（EDRS）系统

2002年，欧洲正式开始执行“全球环境与安全监视”（GMES）计划。近年来，随着该计划的内容由最初的环境变化监视扩展到安全领域，欧洲空间通信设施向地面传输的数据量正逐年增加，预计将达到每天6 TB的数据传输量。如此大的数据传输量，将给现有的通信设施带来极大的压力。在欧洲经济萧条的大背景下，欧洲各国无法联合出资建造更多的新卫星。同时，从战略独立性的角度出发，欧洲也无法借助欧洲以外国家的地面数据收集与管理系统。因此，为了解决面临的这些挑战，欧洲航天局在2009年2月17日正式启动了“欧洲数据中继卫星”（EDRS）系统计划，EDRS提供一个快速、可靠、无缝的通信网络，按需实时从卫星获取信息，这将成为首个商业运营的向对地观测界提供服务的数据中继系统。未来所有配备EDRS的地球观测卫星将能更快速地传送数据并且进行更长时间的传送。EDRS概念构想如图1-6所示。

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图1-6　EDRS中继系统

EDRS一期系统的空间段包括两个地球静止轨道节点，分别是EDRS-A载荷和EDRS-C卫星。EDRS-A载荷搭载在“欧洲通信卫星”9B上，定点在东经9°，已于2016年1月3日发射升空。EDRS-C卫星于2019年8月成功发射至东经31°静止轨道，经过在轨测试后，与哥白尼计划的“哨兵”地球观测卫星间建立了激光通信链路。上述两颗卫星可覆盖欧洲、非洲以及北美洲、拉丁美洲、亚洲的部分区域。欧空局计划寻求合作扩展，在2025年前发射EDRS-D／-E两颗卫星，完成二期系统建设，形成可覆盖全球的“全球网”（GlobeNet）以及系统的冗余备份能力，形成以激光数据中继卫星与载荷为骨干的天基信息网，实现卫星、空中平台观测数据的近实时传输，大幅提升欧洲危机响应与处理能力，如图1-7所示。

“哨兵”系列卫星主要包括2颗哨兵-1卫星、2颗哨兵-2卫星、2颗哨兵-3卫星、2个哨兵-4载荷、2个哨兵-5载荷、1颗哨兵-5的先导星——哨兵-5P以及1颗哨兵-6卫星。已经发射的哨兵-1、哨兵-2和哨兵-3卫星性能参数分别如表1-4～表1-6所示。

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图1-7　EDRS组成

表1-4　哨兵-1主要参数

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表1-5　哨兵-2A主要参数

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（续表）

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表1-6　哨兵-3A主要参数

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“欧洲数据中继系统”（EDRS）采用激光和射频混合通信，中继卫星与低轨卫星之间采用激光通信，中继卫星与地面站之间采用Ka频段射频通信。2016年1月30日，欧洲空间局（ESA）成功发射EDRS的首个激光通信中继载荷EDRS-A，迈出了构建全球首个卫星激光通信业务化运行系统的重要一步。在完成一系列在轨测试后，EDRS-A在6月成功传输了欧洲哨兵-1A雷达卫星的图像，并于7月进入业务运行阶段。在EDRS-A卫星中，LEO与GEO之间的激光双向链路速率达1.8 Gb／s，“哨兵”卫星与地面之间的Ka频段双向链路速率为600 Mb／s，GEO与地面之间的RF链路速率为600 Mb／s。EDRS-A载荷射频星间链路采用Ka频段，具有星间和星地两种通信模式。星间通信模式用于国际空间站欧洲舱的实时数据通信，数据传输速率约为0.3 Gb／s。星地通信模式用于与地面站进行通信，数据传输速率可达1.8 Gb／s，是X频段数据传输速率的3.5倍。欧空局已陆续开展EDRS-A载荷与空中平台之间的激光通信试验，分别试验了与空客A310多用途运输机、美国MQ-9“死神”无人机的激光通信能力。在EDRS系统中，专用数据中继卫星与星间链路终端“哨兵”卫星均搭载了激光通信终端（LCT），LCT主要包括望远镜、装有粗瞄准机构的矩形结构及接收器等，其结构如图1-8所示。

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图1-8　LCT（左）及测试平台（右）

LCT能够提供LEO-GEO卫星之间速率达1.8 Gb／s的激光双向链路。LEO-GEO激光双向链路的主要性能参数指标如表1-7所示。

表1-7　EDRS中LEO-GEO激光链路主要性能参数

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4）下一代中继卫星系统

日本对中继卫星的发展十分重视。2002年9月10日，成功发射了由日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）研制的DRTS-W中继试验卫星，并通过运行试验发现，中继卫星可以在时间延时较少情况下对接收的超过99%的地面监测数据进行传输。下一步，为了满足大容量卫星数据通信的需要，日本提出利用基于星间激光链路的中继卫星来发展空间网络系统的规划。如图1-9所示，对地观测卫星（LEO）与中继卫星（GEO）之间通过激光链路进行通信，而受限于日本当地的气候因素，现行的规划中，中继卫星与地面控制站之间采用Ka频段微波进行通信。随着对光学链路的研究发展，激光链路通信未来将被运用到对地观测卫星-中继卫星-光学地面站通信系统中。

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图1-9　基于星间链路的下一代中继卫星系统概览

为了提高通信链路数据传输速率以及终端用户的质量，并减少通信过程功率损耗，日本宇宙航空研究开发机构研制了下一代激光通信终端LUCE，其目标参数如表1-8所示。可以看出，对地观测卫星与中继卫星之间的激光链路传输速率将高达2.5 Gb／s。

表1-8　JAXA下一代激光通信终端目标参数

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同时，考虑到与未来中继卫星的兼容性，激光通信终端将采用与Tesat-Spacecom公司下一代激光通信终端类似的方案：采用波长1.06μm信号光和BPSK调制／零差检测方案进行检测；激光放大器利用Nd：YAG晶体进行波导。同时，为了能够更好地运用到质量为500 kg左右的中型地球观测卫星中，激光通信终端的重量将小于35 kg。

5）下一代低轨卫星通信系统（NeLS）

日本的CRL和下一代低轨卫星通信系统研究中心提出了下一代低轨卫星通信系统（NeLS），星间通信全部采用激光链路，是世界上第一个激光链路全球性卫星通信网络，星座参数如表1-9所示，星间链路参数如表1-10所示。

表1-9　NeLS星座参数

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表1-10　ISL链路参数

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（续表）

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NeLS系统结构如图1-10所示，空间段由120颗低轨卫星组成，具有星载ATM交换能力，星间采用激光链路，星地之间利用多波束天线、可变速率用户链路调制技术和卫星数字波束整形天线技术，图1-11为终端实物。

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图1-10　NeLS系统

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图1-11　NeLS终端实物

NeLS重点研究内容之一是基于WDM卫星光网络以及星载光纤放大器等卫星组网关键技术和器件。2003年报道了激光星间链路WDM试验，数个卫星节点通过激光星间链路连接成一个环形拓扑，链路间采用四波道的WDM技术和掺铒光纤放大器（EDFA）。一个WDM仿真器主要包括光发送机和接收机，发送部分采用4个可调连续波（CW）光源，波长分辨率为0.001 nm，接收部分采用光窄带滤波器和检测机以及低噪声放大器。轨道内和轨道间四波长WDM星间激光链路星载子系统结构如图1-12所示。在接收端，首先对光信号进行低噪声放大，然后实现3个波长通道的解复用，再进行解调，将解调后的信号连接到ATM交换机上实现星上电路交换，另一个波长通道经EDFA放大后直通到另一颗卫星，实现通道交换。在发送端，经ATM交换机交换后的3路信号首先进行光学调制，与直通的另外一路光信号一起复用，经过高功率的EDFA放大后，通过光学天线进行发送。

测试结果表明掺Yb的EDFA应用到NeLS，当输出光功率低于2 W时，系统的误码性能非常优良。同时理论上的输出光功率仅为1 W，所以该WDM环形卫星光网络是非常具有吸引力的。从2003—2007年，NeLS网络拓扑不断优化改进，目前第二阶段在轨飞行试验已经开始，其中重点包括对LEO星间激光通信的验证。

6）全球互联网星座

为了提供全球互联网无缝接入服务，在传统天基互联网计划如Teledesic和Skybridge的基础上，OneWeb，SpaceX，Samsung和LEOSAT等多家企业拟打造新兴卫星互联网星座。其特点是由大规模低轨道卫星星座组成（通常是成百上千个），主要提供全球宽带互联网接入服务，即具有互联网传输功能的巨型通信卫星星座。目前计划建设的全球互联网星座如表1-11所示。

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