在現(xiàn)在信息量高速增長的情況下，人們對通信系統(tǒng)容量的要求也在高速增長， 而當(dāng)前無線通信受到帶寬和容量限制，已經(jīng)不能滿足當(dāng)前需要， 對圖像信息的實時傳遞更是無能為力。隨著激光的產(chǎn)生，光波通信技術(shù)日益表現(xiàn)出適應(yīng)這種通信需求的勢頭。衛(wèi)星激光通信是一個較新的研究領(lǐng)域，美國歐洲、日本等國都對此極其關(guān)注，并已進(jìn)行了深入的研究，這主要是因為用激光進(jìn)行衛(wèi)星間通信具有如下優(yōu)點：開辟了全新的通信頻道使調(diào)制帶寬可以顯著增加、能把光功率集中在非常窄的光束中、器件的尺寸、重量、功耗都明顯降低、各通信鏈路間的電磁干擾小、保密性強(qiáng)并且顯著減少地面基站，最少可只有一個地面站。

　　衛(wèi)星激光通信包括深空、同步軌道、低軌道、中軌道衛(wèi)星間的光通信， 有GEO （geosynchronous earth orbit， GEO）- GEO，GEO- LEO （ low- earth orbit， LEO）， LEO - LEO， LEO- 地面等多種形式，同時還包括衛(wèi)星與地面站之間的通信。隨著元器件發(fā)展，衛(wèi)星光通信技術(shù)已基本成熟，并逐漸向商業(yè)化方向發(fā)展，美國、歐洲、日本等國家都制定了多項有關(guān)衛(wèi)星激光通信的研究計劃， 對衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)所涉及到的各項關(guān)鍵技術(shù)展開了全面深入的研究， 在最近幾年衛(wèi)星激光通信就將進(jìn)入實用化階段。特別是一旦實現(xiàn)小衛(wèi)星星座之間的激光星間鏈路及其系統(tǒng)成熟， 必將更加促進(jìn)其商業(yè)化發(fā)展。可以預(yù)言，衛(wèi)星激光通信必將成為未來超大容量衛(wèi)星通信的最主要的途徑。

　　系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)

　　1、系統(tǒng)基本組成

　　為了實現(xiàn)空間光傳輸與ATP（acquisition tracking pointing）技術(shù)， 通常需要信號光與信標(biāo)光。一般的衛(wèi)星間光通信系統(tǒng)由以下4 部分組成， 其主要部件如圖1 所示。

　　（1）光天線伺服平臺

　　包括天線平臺及伺服機(jī)構(gòu)， 由計算機(jī)控制。在捕獲階段完成捕獲掃描， 系統(tǒng)處于按預(yù)設(shè)指令工作狀態(tài)， 將光束導(dǎo)引到粗定位接收視場， 從而完成光束捕獲。在跟蹤、定位階段，根據(jù)跟蹤探測器獲得的誤差信號， 經(jīng)處理后送到伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 構(gòu)成一個負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)， 完成精定位。對于運動載體上的光通信系統(tǒng)， 為了減小各種擾動誤差影響， 還需要增加陀螺控制回路。

　　（2）誤差檢測器

　　包括光天線及光電探測器。光電探測器一般由捕獲探測器和定位探測器兩部分組成。捕獲探測器完成捕獲與粗跟蹤， 并將接收到的光信號引導(dǎo)到定位探測器上， 進(jìn)行精定位，最后調(diào)整收發(fā)端， 使光束對準(zhǔn)。

　　（3）控制計算機(jī)

　　控制計算機(jī)包括中心控制處理器與輸入、輸出接口設(shè)備。控制計算機(jī)可以接收衛(wèi)星控制指令， 控制天線伺服平臺粗對準(zhǔn)光鏈路的連接方向。捕獲階段可以由預(yù)定的程序控制光束掃描和捕獲。在跟蹤階段， 計算機(jī)對誤差信號進(jìn)行計算，并實時地輸出信號控制天線伺服平臺的粗、精跟蹤， 完成光束的對準(zhǔn)。

　　（4）光學(xué)平臺

　　收發(fā)端機(jī)的功能是探測對方發(fā)來的信標(biāo)光， 確定信標(biāo)光方位， 給出誤差信號使ATP 系統(tǒng)校正接收天線的方位， 完成雙方光天線的粗對準(zhǔn)。在天線已粗對準(zhǔn)的情況下， 探測雙方發(fā)來的信號光， 并利用信號光在4 象限探測器上的坐標(biāo)， 提供方位誤差信號給ATP 單元完成雙方天線的精對準(zhǔn)和跟蹤任務(wù)。探測對方發(fā)來的信號光， 通過放大、解調(diào)等電處理， 完成通信任務(wù)。

　　衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)是在自由空間中利用激光作為信息傳輸?shù)妮d體。光束傳播過程中發(fā)散角很小， 所以光束的對準(zhǔn)是十分困難， 尤其是作為運動衛(wèi)星間的光通信， 完成收發(fā)光束的捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)就成為自由空間激光通信最關(guān)鍵的技術(shù)。以上所談系統(tǒng)只是理論分析， 對實際應(yīng)用國內(nèi)還有一段很長的路要走。

　　2、關(guān)鍵技術(shù)

　　在衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)中要實現(xiàn)信號的發(fā)送接收， 以及光束的精對準(zhǔn)， 通常都需要信標(biāo)光與信號光來共同完成。信號在星間傳輸系統(tǒng)中有以下關(guān)鍵技術(shù)。

　　（1）光信號的發(fā)射與接收

　　1）高功率光源及高碼率調(diào)制技術(shù)

　　在激光通信系統(tǒng)中大多可以采用半導(dǎo)體激光器或半導(dǎo)體泵浦的YAG 固體激光器作為信標(biāo)光和信號光的光源， 工作波長為0.8- 1.5 pm 近紅外波段。通常信標(biāo)光的調(diào)制頻率為幾十赫茲至幾千赫茲或幾千赫茲至幾十千赫茲， 以便克服背景光的干擾。

　　2）高靈敏度抗干擾的光接收技術(shù)

　　在空間光通信系統(tǒng)中， 接收的光信號通常都很微弱。此外， 在高背景噪聲場（如太陽光、月光、星光等）的干擾情況下，又加大了光信號接收的難度。快速、精確捕獲目標(biāo)和接收目標(biāo)信號就是光、機(jī)、電結(jié)合的精密綜合技術(shù)， 也是空間激光通信的核心技術(shù)之一。一般采用兩種方法削弱這種影響。

　　① 提高接收端機(jī)的靈敏度， 最好達(dá)到nW—pW量級。

　　② 對所接收的信號進(jìn)行統(tǒng)計處理， 在光信道上采用光窄帶濾波器（ 干涉濾光片或原子濾光器， 但由于通光頻帶較窄，對存在多普勒效應(yīng)的光波濾光效果存在很大的缺陷） 以抑制背景雜散光的干擾， 在電信道上采用微弱信號檢測與處理技術(shù)。

　　3）精密、可靠、高增益的收發(fā)天線

　　為完成系統(tǒng)的雙向互逆跟蹤， 光通信系統(tǒng)均采用收、發(fā)合一的天線。由于半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量一般比較差， 要求天線增益要高， 另外， 為適應(yīng)空間系統(tǒng)， 天線（包括主副鏡、合束、分束濾光片等光學(xué)元件）總體結(jié)構(gòu)要緊湊、輕巧、穩(wěn)定可靠。

　　（2）光束的捕獲、對準(zhǔn)、與跟蹤

　　1）捕獲、對準(zhǔn)過程：分別以A， B 表示需建立光鏈路的兩個終端

　　① A 端機(jī)發(fā)出信標(biāo)光， 然后在不確定視場范圍內(nèi)進(jìn)行掃描。B 端在A 端掃描的同時采取跳步掃描的方式進(jìn)行掃描，另一幀B 端跳一步， 凝視于另一角度。如果不確定視場不大，而B 端的接收視場等于或大于不確定視場時， 則B 端不必進(jìn)行掃描， 只處于凝視等待狀態(tài)。A 端信標(biāo)光的光束在掃描過程中必然會落在B 端的接收視場內(nèi)， 即B 端必然會接收到A 端的信標(biāo)光。

　　② 當(dāng)B 端接收到A 端的信標(biāo)光后， B 端探測器輸出的位置誤差信號， 經(jīng)處理后送給萬向支架控制器， 驅(qū)動萬向支架轉(zhuǎn)動， 從而對準(zhǔn)A 端。A 端收到B 端的信標(biāo)光， 達(dá)到一定門限后， 掃描停止。A 端探測器（CCD）功輸出位置誤差信號， 經(jīng)處理后送給萬向支架控制器， 驅(qū)動萬向支架轉(zhuǎn)動， 進(jìn)一步對準(zhǔn)B端。

　　③ A 端和B 端進(jìn)一步調(diào)整， 從而達(dá)到捕獲、對準(zhǔn)的目的。

　　光速的捕捉、對準(zhǔn)與跟蹤過程示意圖如圖2 所示：

　　2）目標(biāo)跟蹤

　　跟蹤、瞄準(zhǔn)系統(tǒng)是進(jìn)行精跟蹤， 其功能是在完成了目標(biāo)捕獲后，對目標(biāo)進(jìn)行瞄準(zhǔn)和實時跟蹤。通常采用4 象限紅外探測儀QD 或Q- APD 高靈敏度位置傳感器來實現(xiàn)，并有相應(yīng)電子伺服控制系統(tǒng)。

　 ? 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

　　1、衛(wèi)星激光通信發(fā)展回顧

　　（1）美國

　　美國開展空間光通信方面的研究最早， 于60 年代中期就開始實施空間光通信方面的研究計劃。美國國家航空和宇航局（NASA）的噴氣推進(jìn)實驗室（JPL）早在70 年代就一直進(jìn)行衛(wèi)星激光通信的研究工作，其它如林肯、貝爾等著名實驗室也都開展了空間激光鏈路的研究。近幾年來，空間激光鏈路研究已成為美國的研究熱點，這將有助于改變近些年美國在這一領(lǐng)域的研究落于歐洲甚至日本之后的局面。

　　（2）日本

　　日本是光通信技術(shù)發(fā)展很迅速的國家， 日本與80 年代中期開始空間光通信研究，主要有郵政省的通信研究室（CRL）、宇宙開發(fā)事業(yè)團(tuán)（NASDA）和高級長途通信研究所（ATR）的光學(xué)及無線電通信研究室進(jìn)行這方面的工作。ETS- VI 和OICETS 計劃， 是由他們提出的計劃，這是兩個十分引人注目的空間光通信研究計劃。ETS- VI 計劃旨在進(jìn)行星地之間的空間光通信實驗， 且已于1995 年7 月成功地在日本的工程試驗衛(wèi)星ETS- VI 與地面站之間進(jìn)行了星地鏈路的光通信實驗，這是世界上首次成功進(jìn)行的空間光通信實驗。此舉使日本一躍而居空間光通信研究領(lǐng)域之首位。日本和歐空局還將利用各自研制的、裝于各自衛(wèi)星上的空間光通信終端， 合作進(jìn)行空間光通信系統(tǒng)的空間實驗， 這進(jìn)一步顯示出空間領(lǐng)域逐步走向國際合作化的趨勢。

　　（3）歐盟

　　歐洲空間局（ESA）于1977 年夏就開展了高數(shù)據(jù)率空間激光鏈路研究，至今歐空局在空間光通信方面已經(jīng)進(jìn)行了二十多年的研究工作。ESA 先后在空間光通信研究方面制定了一系列計劃，有步驟地開展對空間光通信各項技術(shù)的研究，現(xiàn)已在該領(lǐng)域的一些關(guān)鍵技術(shù)方面處于明顯的領(lǐng)先地位。

　　（4）國內(nèi)情況

　　不論是美國、歐洲、還是日本對衛(wèi)星光通信的研究都已經(jīng)進(jìn)入了空間實驗階段，而且很快就要發(fā)展到實用階段。我國衛(wèi)星光通信研究與美、歐、日相比起步較晚， 目前國內(nèi)只有少數(shù)幾個單位（ 比如電子科技大學(xué)， 哈爾濱工業(yè)大學(xué)等， 武漢大學(xué)近年來也參與了衛(wèi)星激光通信方面的研究，并取得了較大成果。） 進(jìn)行衛(wèi)星光通信方面的研究工作， 這些工作涉及到衛(wèi)星光通信的基礎(chǔ)技術(shù)及基本元器件的研究，以及關(guān)鍵技術(shù)的研究但離空間實驗階段還有相當(dāng)一段距離。雖然我國在這方面的研究與國外的距離較大，但從現(xiàn)有國內(nèi)器件及技術(shù)水平看，衛(wèi)星光通信所需的技術(shù)基礎(chǔ)已經(jīng)具備， 這與國外開展衛(wèi)星光通信研究的初期情況不同， 當(dāng)時衛(wèi)星光通信所需的主要元器件均不成熟，因此， 國外衛(wèi)星光通信方面的研究工作初期走了不少彎路。現(xiàn)在衛(wèi)星光通信所需元器件已經(jīng)比較成熟，我國的衛(wèi)星光通信研究只要加大投資力度，一定會很快在關(guān)鍵技術(shù)方面得到突破，我國衛(wèi)星光通信研究從開始到進(jìn)行星上搭載實驗的時間也會大大短于國外所花費的時間。

　　2、衛(wèi)星激光通信展望

　　近年來的商業(yè)需求和信息高速公路的發(fā)展， 對衛(wèi)星間激光鏈路技術(shù)要求更加迫切， 這些已經(jīng)作為美國、歐洲日本等國發(fā)展該方面技術(shù)的動力， 并正向商業(yè)應(yīng)用轉(zhuǎn)化。現(xiàn)在空間光通信系統(tǒng)發(fā)展的趨勢主要是：

　　（1） 空間光通信系統(tǒng)的應(yīng)用正在向低軌道小衛(wèi)星星座星間激光鏈路發(fā)展；

　　（2）激光星間鏈路用戶終端向小型化、一體化方向發(fā)展；

　　（3）低軌道小衛(wèi)星星座激光鏈路正進(jìn)入商業(yè)化、實用化發(fā)展階段。在空間光通信研究的前期， 主要是以中繼星為應(yīng)用背景。然而，隨著小衛(wèi)星星座的迅猛發(fā)展，國外對第二代中繼星的興趣已經(jīng)下降，對小衛(wèi)星星座的興趣大大增加。空間光通信研究工作，已經(jīng)開始逐漸從以中繼星為主要背景轉(zhuǎn)到以小衛(wèi)星星座為應(yīng)用背景上。可以預(yù)見研究重點將會逐漸轉(zhuǎn)移到小衛(wèi)星星座星間激光鏈路的研究上。基于此點， 對小衛(wèi)星星座星間激光鏈路的研究工作將在空間光通信的研究中占有重要地位。

　　總結(jié)

　　對衛(wèi)星激光通信關(guān)鍵技術(shù)（ 如信號收發(fā)、空間目標(biāo)捕獲、對準(zhǔn)、跟蹤） 的研究在美、歐、日等國已開展了近20 年， 但是前些年由于受到元器件技術(shù)的限制發(fā)展較慢。在上世紀(jì)， 進(jìn)入90年代， 隨著元器件技術(shù)的成熟和發(fā)展而進(jìn)入商業(yè)化發(fā)展階段。特別是小衛(wèi)星星座的迅猛發(fā)展， 使得對小衛(wèi)星星座的星間光通信更加重視。 利用小衛(wèi)星星間激光通信實現(xiàn)全球個人移動通信， 已不是遙遠(yuǎn)的事情了。

　　我國自20 世紀(jì)70 年代開始激光通信的研究， 取得了較滿意的結(jié)果。國內(nèi)若干科研機(jī)構(gòu)開展了大氣激光通信方面的學(xué)術(shù)和實驗研究。我國雖然在此方面的研究工作開展較晚，但由于衛(wèi)星光通信的元器件及技術(shù)已成熟， 同時又有國外經(jīng)驗借鑒， 如抓緊機(jī)會， 定會在較短時間內(nèi)趕上世界發(fā)達(dá)國家研究水平。因此， 我國應(yīng)該盡快投入人力物力， 全面開展衛(wèi)星光通信的研究工作。只有這樣， 我國才能在將來的全球衛(wèi)星商業(yè)通信中處于領(lǐng)先地位。