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空间激光通信无频谱资源限制,具有带宽大、传输速率高、保密性好、抗干扰能力强、体积小、质量轻、功耗低等优点。特别适合复杂电磁环境、无线电静默等条件下抗干扰、高保密高速数据传输。激光通信是实现星间、星地、星空、空空、空地、空海等链路大容量保密通信的重要途径之一[1]。
空间激光通信终端一般由光通信子系统、跟瞄子系统、光学天线子系统组成。光通信子系统完成对激光信号的调制和解调、光信号的高功率发射和接收、业务数据收发和纠错等。跟瞄子系统完成扫描、跟踪和捕获,确保通信的双方能建立通信链路。天线子系统完成光束的缩放和光信号的隔离[2]。
空基激光通信系统是搭载在气球、飞艇、无人机、飞机等平台的激光通信终端,其具有灵活性好、成本低、一定的可维修性等优点,更适合军用隐蔽通信、救急救灾应急通信、偏远地区低成本通信等场景。近十几年来,空基激光通信的速率和链路稳定性逐步提高,已经由关键技术攻关和演示验证逐步发展为高可靠性军事应用和低成本商业应用。
文中详细介绍了国内外空基激光通信领域的技术指标和最新进展。在此基础上总结了发展趋势和技术挑战,并对解决途径和措施进行了深入分析。
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自1980年美国在世界上首次实现了通信速率为19.2 kbps的飞机对地激光通信试验后,空基激光通信技术取得了长足的进步。美国空军研究实验室(Air Force Research Laboratory,AFRL)、德国宇航中心(Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt,DLR)、美国国防部高级研究项目局(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)、喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory, JPL)、美国航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)、法国国防采购总局(Générale de l'Armement,DGA)相继开展了不同链路、不同距离和不同通信制式(OOK、QPSK、BPSK)以及节点组网等飞行试验[3-15]。各国空基激光通信试验情况如表1所示。
Type Project Organization Year Platform Communication rate Distance/km Others Air-ground HAVE LACE AFRL/SN 1980 KC-135
Airplane19.2 bps (uplink)/
1 Gbps (downlink)100 532 nm/1064 nm AFRL/SN 1983 KC-135
Airplane19.2 bps (uplink)/
1 Gbps (downlink)160 AFRL/SN 1996 T-39 Fighter 1 Gbps 30 OCD-2 NASA/JPL 2005 UAV 2.5 Gbps 50 1550 nm, 67 kg, 650 W STROPEX DLR/Vialight 2005 H-A-P (stratospheric) 1.25 Gbps 64.15 OOK, 1550 nm,
17.54 kg, 75 WFOCAL MIT/LL 2009 Twin Otter Aircraft 2.66 Gbps 25 OOK ARGOS DLR/Vialight 2010 Do-228 Aircraft 1.25 Gbps 100 OOK, 1550 nm/1590 nm FOENEX DARPA 2012 Aircraft 8.5 Gbps 130 52.2 kg DoD fast DLR/Vialight 2013 Tornado Fighter 1.25 Gbps 50 OOK, 5 kg Facebook Facebook&Mynaric 2017 Cessna310 Aircraft 10 Gbps 9 Air-air HAVE LACE AFRL/SN 1998 T-39 Fighter 1 Gbps 500 ORCA DARPA 2009 Aircraft 5 Gbps 200 OOK, 1550 nm FALCON AFRL 2010 DC-3 Aircraft 2.5 Gbps 132 OOK, 1545 nm /1555 nm FOENEX DARPA 2012 Aircraft 6 Gbps 230 52.2 kg Loon Google 2015 H-A-P (stratospheric) 130 Mpbs 100 OOK, 1550.12 nm/
1556.50 nm, 6.3 kg, 20 WAquila Facebook 2016 Aquila UAV 100 Gbps 250 QPSK, 1562 nm/
1542 nm, 5 kg, 150 WAir-GEO LOLA DGA 2006 Falcon20 Fighter 2 Mbps (uplink)/
50 Mbps (downlink)36000 848 nm ALCoS NASA/GA-ASI 2021 MQ-9 RPA UAV 1.8 Gbps 36000 1064 nm, 1550 nm ScyLigh ESA 2022 Airbus Aircraft 1.8 Gbps 36000 Table 1. Major air-based laser communication programs in united space and europe
2005年,美国喷气推进实验室(JPL)实施的第二代光学通信演示系统项目(Second Generation Optical Communications Demonstrator, OCD-2)在50 km距离上实现了2.5 Gbps空-地通信,为工程化应用奠定坚实基础。此后,激光通信在美国军事和商业领域中得到显著快速应用,从单一的点对点激光通信,发展为两个方向:(1)高可靠性军用战术网络系统,(2)低成本高带宽商业网络系统。前者以光纤射频混合通信组件项目(Optical RF Communications Adjunct, ORCA)和自由空间光学实验网络项目(Free Space Optical Experimental Network Experiment, FOENEX)为代表,表现出网络节点动态自组织、激光/射频混合组网等特点;后者以谷歌气球网络(Google Loon)和脸谱无人机网络(Facebook Aquila)为代表,表现出轻量化、低成本、覆盖偏远地区等特点。
2005年,德国宇航中心(DLR)实施的平流层光学下行链路试验项目(STRatospheric OPtical Downlink EXperment, STROPEX)基于飞艇在平流层64.15 km距离上,实现了1.25 Gbps高速对地通信。此后,DLR实施了多次基于战斗机平台的机载激光通信试验,链路的稳定性和通信距离有了一定的提升。
2006年,法国国防部采购总局(DGA)实施的机载大气激光链路项目(Airborne Atmospheric Laser Link, LOLA)基于战斗机实现了2 Mbps (上行)/50 Mbps (下行)对GEO卫星通信。2021年,空客公司牵头欧洲各研究机构开展了基于空客客机的机载激光通信项目,以加速激光通信技术创新,特别是民用市场的发展。
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(1) 光学射频融合通信项目(ORCA)
光学射频融合通信项目(Optical RF Communications Adjunct,ORCA)是由DARPA在2007年启动的项目,意在建立一个由射频和激光构成的混合军用战术网络系统以实现战场各类型信息的高速可靠传输。如图1所示,系统包括静止/移动地基节点和空基节点,空基节点高度7.62 km,最远空空链路和空地链路距离是200 km和50 km[16-18](图中,1 ft=0.3048 m)。
ORCA终端采用带宽达kHz的波前校正自适应光学(AO)、自动功率控制、前向误码纠正(FEC)、重传、回放和重路由等方法提高了链路稳定性。主要指标为:波长1550 nm,通信制式IM/DD,射频通信速率274 Mbps,激光通信速率5 Gbps[16-18]。激光终端采用AO补偿效果如图2所示。
(2) 自由空间光学实验网络项目(FOENEX)
自由空间光学实验网络项目(Free Space Optical Experimental Network Experiment, FOENEX)由DARPA在2010年启动。如图3所示系统由空基节点、地基节点和水面节点等多个节点构成动态自组织网络,具备激光和射频链路自主切换、网络节点动态切换和自组织等功能。机载终端光学天线口径为100 mm,激光通信终端总重52.2 kg[19]。
在2012年开展了两阶段试验,第一阶段测试了点对点通信性能,在130 km距离上实现了信息速率为8.5 Gbps对地高速通信、在230 km距离上实现了信息速率6 Gbps飞机间高速通信。基于波分复用(WDM)技术可进一步提升至100 Gbps。第二阶段主要测试节点间混合链路组网性能。试验中设置了3个空基激光链路节点和1个地基激光/射频混合链路节点,每节点都安装了多套通信终端(图4、图5),各节点间进行了高清视频传输。在飞行高度4.6 km条件下,实现了相距116 km的空中3个节点和相距68 km的1个地基节点间混合链路通信[20-21](图6)。
Figure 5. FOENEX link aircraft node. There are two lasercom terminals, one overwing and one beneath the aircraft nose
(3) Google (Loon)项目
地面网络建设成本低,最适合的应用场景是密集城市区和具有较高密度的乡村。相对而言,卫星网络成本高、延时大,适合人口稀少地区和特定行业应用。而无人机和浮空气球等空基网络恰恰是两者的互补,适合中等人口密度和突发情况通信应用。
美国谷歌公司(Google)在空基激光通信商用化方面取得了显著的进展。2013年,谷歌开展了Loon项目以期以较低的成本实现偏远地区的高带宽网络接入(图7)。在满足性能要求下,易制造、可重复利用、批量采购、流程控制等低成本设计原则成为首要考虑因素。高空超压气球被释放到20 km平流层组成了空中无线网,向地面网络无法覆盖的地区提供高速互联网接入服务。空激光终端主要参数为:信号光波长1550.12 nm和1556.50 nm、通信制式IM/DD、发射光功率0.1 W、发散角280 μrad。该激光终端基于轻量化设计,其质量仅为6.3 kg、功耗20 W。
2015年,谷歌在距离100 km的两气球间稳定实现了130 Mbps速率的激光通信试验,稳定工作时长3天之久,并具备空中系留超过100天的能力[22-23]。2017年,飓风玛丽亚过后,谷歌向波多黎各部署了Loon气球实现了信息连接。2019年,为地震后的秘鲁同样部署了该气球。同时,该项目部分成果已应用在Google [X]子项目Taara中,并于2020年在撒哈拉以南非洲在200 km距离上实现了20 Gbps的高速通信[24]。
(4) Facebook项目
与谷歌Loon项目类似,Facebook公司也开展了低成本轻量化的空基激光通信终端商业应用。2016年,Facebook公司的Aquila太阳能无人机搭载了空基激光通信终端,实施了无人机之间、无人机对地面的高速通信网络项目试验。无人机通信终端主要指标为:口径75 mm、QPSK调制、功率150 W、发射光功率1 W、信标波长1552 nm、信号光波长1562 nm和1542 nm,轻量化设计的终端总重5 kg。试验中无人机飞行高度18~25 km,在距离250 km的空空链路上实现了100 Gbps高速通信,并达到了4光子/bit超高灵敏度[25-27],如图8、图9所示。
Figure 9. Diagram of Aquila airborne terminal physical and payload[26]
2017年,Facebook公司联合德国Mynaric公司开展了空地激光链路测试。Cessna310飞机上搭载的激光终端口径为70 mm,地面站激光终端口径为200 mm。该次试验中,飞机飞行速度206 km/h,该速度是2016年试验中飞行速度的1.8倍。受到飞机速度、振动以及大气湍流的影响,试验通信速率为10 Gbps,但通信距离较近,仅为9 km[28]。
(5) 空基激光通信系统演示项目(ALCOS)
2014年,美国通用原子公司开展了空基激光通信系统演示项目(Airborne Laser Communication System Demonstration, ALCOS)。该项目分为两个阶段,第一阶段是GEO-地通信演示,第二阶段是GEO和无人机通信演示[29]。项目采用MQ-9“死神”无人机作为机载平台,通信波长为1064 nm和1550 nm。原计划2016年开展的无人机和GEO卫星通信演示因故延期。2020年1月完成地面原理演示试验,机载终端正在进一步集成和研制中,预计2021年将开展无人机与GEO卫星间高速激光通信[30]。
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(1) 法国LOLA项目
法国国防部(DGA)于2003年开展了机载大气激光通信(Airborne Atmospheric Laser Link, LOLA)项目,目标是在40000 km超远距离上实现GEO卫星(ARTEMIS)与飞机之间的激光链路。2006年12月成功进行了链路建立和演示验证。项目主要指标为:IM/DD通信体制、飞行高度9 km、飞行时速300 km/h、机载平台Falcon20、波长848 nm,光功率0.1 W,通信速率50 Mbps (下行)和2 Mbps (上行),见图10[31]。
(2) 德国机载广域高空监测系统项目(ARGOS)
针对光学遥感和SAR载荷的大数据实时传输难题,德国宇航中心(DLR)开展了机载广域高空监测系统项目(Airborne Wide Area High Altitude Monitoring System, ARGOS)。2008年,实现了飞行高度为3 km的Do-228飞机与地面站之间的激光通信。试验中信号波长1550 nm和1590 nm,光功率为0.1 W (下行)和2×5 W (上行)。系统采用了IM/DD通信体制,在10~85 km距离上实现了155 Mbps的激光空地链路试验。2010年,下行光功率提升为1 W,在10~100 km距离上实现的1.25 Gbps高速通信试验[32-33],见图11、图12。
(3) 德国高速光学链路演示项目(DoD fast)
2013年,德国宇航中心(DLR)和空客公司以及Via-light公司开展了快速光数据链路演示项目(Demon-stration of Optical Data link fast, DoD fast),完成了“狂风”战斗机与地面移动站之间的激光通信实验,如图13所示。飞行高度7 km的战斗机搭载了质量为5 kg的激光通信终端。系统采用了IM/DD通信体制,在50 km距离上实现了1.25 Gbps激光通信,试验中跟瞄系统的稳定跟踪距离达到79 km[34-35]。
(4) 基于Ultra Air的机载激光通信项目
为了进一步提高激光通信技术的创新并加速培育激光通信的市场,欧空局ESA于2016年12月启动安全激光通信技术(Secure and Laser Communication Technology,ScyLight)项目。项目中将采用液晶相控阵、大规模光子集成光开关等新技术,以期望实现通信终端轻量化、小型化,并最终在量子密钥分发和高保密通信以及产业化等领域进行应用等[36]。
2021年4月,空客公司和荷兰应用科学研究组织共同发起了ScyLight的子项目——Ultra Air的机载激光通信项目。研究团队期望在36000 km的GEO轨道上实现卫星和飞机间激光通信,如图14所示。空基平台包括大型客机、战斗机和无人机等,通信速率为1.8 Gbps。该子项目将重点解决:(1) 飞机振动隔离和主动补偿技术;(2) 飞机姿态主动补偿技术;(3) 开环跟瞄高精度补偿技术;(4) 强大气湍流下建链技术。整个项目将在2022年之前搭载在飞机上开展试验[37-38]。
(5) 天空网络(NFTS)项目
2018年7月,空客(Airbus Defence and Space)公布了其军用安全网络通信解决方案“天空网络(Network for the Sky,NFTS)”项目。该项目是空客公司的“未来空军军力倍增计划(Future Air Power Project)”的一部分,与欧洲未来空中作战系统(European Future Combat Air System)体系一致。项目将建设一个覆盖全球的安全混合网络,该网络中整合了不同类型的链路(星间链路、空-地链路、星-空链路、空-空链路)和不同频段的网络(语音网络、5G网络、激光网络)[39],激光通信将为该项目提供高速通信链路支持。天空网络系统构架如图15所示,2019年8月,该项目开展了空客A330与地面部队、战斗机、地面联合作战中心的混合链路演示试验,试验中双向通信速率达到了Mbps的[40]。天空网络项目期望在2022年具备全面的作战使用能力,项目建成后将为为航空器、无人机、卫星、地面指挥中心、移动终端(地面或海中)建立全球覆盖、随遇接入、按需服务的高速网络连接。
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我国也积极开展了空基激光通信的相关研究工作。长春理工大学于2011年7月在20 km距离实现了1.5 Gbps飞机对海面航行器的高速激光通信[41-42],9月在700 m飞行高度上实现了1.5 Gbps的空空链路高速激光通信,通信距离达到了17.5 km。2013年,在4.5~5 km的飞行高度上实现了2.5 Gbps空空链路高速激光通信,距离达到了144 km[41-42]。2021年1月开展了“面对空间平台的多节点间同时激光高速信息传输系统”演示验证试验。该试验中飞艇飞行高度200 m,在2 km距离上实现了2.5 Gbps的一对多高速激光通信[43]。验证了一对多激光通信终端的设计,建立了按需组网与动态接入、异构信息一体化处理的网络结构。
中国电子科技集团第34研究所在2018年基于8旋翼无人机研制了质量7 kg的小型化机载激光通信终端,在距离6.7 km上实现了100 Mbps通信速率。
中华人民共和国科学技术部在2019年启动了“科技创新2030-重大项目”-天地一体化信息网络项目,该项目将构建高轨卫星、低轨卫星、浮空节点、地面节点的立体通信网络,浮空气球作为空基节点,将实现与GEO卫星节点间5 Gbps高速激光通信,以期望增加星地激光通信链路的可用度,从而提升天地一体化网络整体的可靠性[44]。