深空激光通信的现状及关键技术

收稿日期：2011-10-24

基金项目：国家863计划项目资助

作者简介：吕春雷（1980-）,男，博士，讲师，主要从事激光通信方面的研究工作，E-mail:kevindlmu@ 。

长春理工大学学报（自然科学版）

Journal of Changchun University of Science and Technology （Natural Science Edition ）

第35卷第1期2012年3月

Vol.35No.1Mar.2012

深空激光通信的研究现状及关键技术

吕春雷1，2，佟首峰1，姜会林1，张云峰2

（1.长春理工大学空地激光通信技术国防重点学科实验室，长春

130022；2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春

130033）

摘

要：空间光通信因其体积小、质量轻、数据率高，已经得到世界各国的普遍重视，尤其是近地卫星光通信系统的在轨

实验的成功，使人们建立起用激光进行深空通信的信心，本文以国外两个典型的深空激光通信系统为依据，深入分析了深空激光通信系统的特点，提出了制约深空激光通信系统的关键技术，给出了未来深空激光通信技术的研究方向，为我国开展深空激光通信的研究提供参考。

关键词：深空激光通信；卫星光通信；月球激光通信系统；火星激光通讯演示验证系统中图分类号：TN919

文献标识码：A

文章编号：1672-9870（2012）01-0001-05

Key Technology and Recent Advances of Deep-space Laser Communication

LV Chunlei 1，2，TONG Shoufeng 1，JIANG Huilin 1，ZHANG Yuefeng 2

（1.Changchun University of Science and Technology ，Air-ground Caser Communication Techndogies Defense Key Laboratory of Fundameited ；Changchun 130022；2.Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and

Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033）

Abstract ：Free space optical （FSO ）communication has many advantages ，such as small volume ，little mass and high data rate.Many countries nowadays focus on the development of FSO communication techniques.Inter-satellite op-tical communication experimental success has built the confidence to deep-space optical communication techniques.The character of the deep space laser communication system is pointed out after in-depth analysis of two typical deep space laser communication systems.This article puts forward the key technology ，which restricts the development of deep-space laser communication ，and presents the future research direction.All these provide some reference to the study of laser communication.

Key words ：deep-space laser communication ；satellite optical communication ；lunar laser communications demonstra-tion ；mars laser communications demonstration system

自1958年8月17日美国发射第一颗月球探测器以来，人类的深空探测活动已经持续了半个世纪。2007年10月25日，我国成功发射了第一颗月球探测卫星（嫦娥一号），卫星于8天后抵达月球轨道并传回了第一张月球照片，嫦娥一号卫星任务的成功标志着我国已迈入深空探测时代［1］。

深空通信是进行深空探测的基础和支撑，是人类与深空探测器联系的通道和纽带，在深空探测任

务中起着关键的作用。随着成像光谱仪、合成孔径雷达等高空间分辨率、高光谱分辨率和高时间分辨率的探测仪器在深空探测中的广泛应用，出现了深空探测的海量数据传输需求。目前深空探测数据传输采用微波通信方式，火星和地球之间的最大通信速率仅能达到120kbps ，而激光通信具有通信速率高、信息容量大、体积小、功耗低等突出特点，恰恰能有效解决带宽瓶颈，因此国外竞相开展深空激

长春理工大学学报（自然科学版）2012年

光通信的研究工作。

1国外研究现状

对于深空激光通信，最有代表性的是美国NASA开展的深空激光通信系统火星激光通信演示系统MLCD（Mars Laser Communications Demonstration System），该项目重点对超长距离和大气条件下开展激光通信进行验证。该深空激光通信系统采用卫星发射、地面终端接收方案，地面接收位于海拔1.7km的Palomar山上，它将在400万公里的超长链路距离条件下实现1～10Mbps通信速率。

该系统采用高峰值功率的光纤泵浦激光发射单元、组合对准和跟踪系统、高效率调制和编码技术、光子计数探测器和采用全新的光学接收结构，进而实现近太阳条件下的初始对准和捕获。火星卫星发射系统由口径为30cm望远系统、平均功率为5W、波长为1.06um、脉冲宽度为1ns的光纤泵浦激光器组成。数据被64位码PPM调制，地面接收采用多元、中小口径（0.8m）望远接收阵列组成，每个望远镜后放置APD探测器阵列［2］。

由麻省理工大学林肯实验室和NASA戈达德空间飞行中心着手研制的月球激光通信系统LLCD （The Lunar Laser Communications Demonstra-tion）是NASA第一次尝试进行绕月飞行器和地面接收机之间进行激光通信，星载光端机计划于2013年随月球大气和粉尘探测航天器（LADEE）发射升空，按设计下行链路数据传输可达620Mbps，上行链路数据传输可达20Mbps［3］。

星载光端机LLST（The Lunar Lasercom Space Terminal）由三部分组成：光学系统、调制模块和控制器。光学系统安装在LADEE航天器有效载荷的外部，调制模块和控制器安装在航天器内部，LLST载荷重约30kg，平均功率约50到140W。采用PPM（pulse-position modulation）将编码后的数据调制到光载波信号上，利用EDFA功率放大技术放大到0.5W后发送到下行链路，对于上行链路采用基于EDFA

前放的高灵敏度直接探测技术。

图1MLCD星载光端机基本构成

Fig.1MLCD space

terminal

图2MLCD地面光端机系统示意图

Fig.2MLCD ground terminal

地面光端机LLGT（The Lunar Lasercom Ground Terminal）由一个发射和接收望远镜阵列和控制室组成，望远镜阵列提供了一种低建设成本的大口径接收和发射方法，四个15cm的折射望远镜用于上行链路，四个40cm的反射望远镜用于下行链路。所有电子设备安装在控制室，用来控制万向节、望远镜以及地面光端机的调制解调。四个经EDFA放大［4］、输出功率为10W的发射器产生用于上行链路的PPM调制信号，下行链路采用光子计数

（a）光学系统（b）调制模块（c）控制器

图3LLST的三个组成部分

Fig.3LLST comprises three modules

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