空间激光通信研究现状及发展趋势_付强
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（ 1） SILEX 系统 ESA 从 1985 年开始实施 SILEX 计划，主要目 的是在试验基础上验证卫星间激光通信的所有技 术，SILEX 系统如图 1 所示。其中以数据中继卫 星 ARTEMIS 为代表，其接收速率为 50 Mbps，波 长为 847 nm 的非归零（ NRZ） 调制信号，然后调制 到 Ka 波段将数据转发到 RF 地面站（ Redu，比利 时） ，其通信波长为 819 nm，可发射 2 Mbps 速率 的脉冲位置调制（ PPM） 信号。
10 Gbps 深空低速率
激光通信系统 中继计划
2． 5 Gbps 10 －9
118
中国光学
第5 卷
序号 链路类型 系统名称
12
TwinOtter
空对地
13
LCT
14 通信
TSAT
网络
搭载终端 飞机-
MIT 地面站 飞艇-地面
卫星组网
Table continued
通信距离/km 国别（ 年） 通信光波长/nm 通信速率/Mbps 误码率
摘要： 综述了空间激光通信的技术优势，总结了国外主要空间激光通信系统运行计划和相应的参数指标，重点介绍了空 间激光通信技术在美国、欧洲、日本的研究现状，给出了激光通信的关键技术。指出了未来的空间激光通信技术不仅会 使通信速率越来越高，其通信模式也会从点对点单一通信模式向中继转发和构建空间激光通信网络方向发展。最后对 我国空间激光通信技术的发展作了简要介绍。 关 键 词： 空间激光通信； 数据传输； 通信模式 中图分类号： TN929． 12 文献标识码： A doi： 10． 3788 / CO． 20120502． 0116
wenku.baidu.com
第2 期
付 强，等： 空间激光通信研究现状及发展趋势
119
2006 年，法国的 LOLA 试验在 ARTEMIS 卫 星和飞机 之 间 展 开，如 图 3 所 示。飞 机 搭 载 了 ELSA 终 端，ELSA 终 端 是 降 低 了 重 量 和 体 积 的 SILEX简化 版。 在 有 湍 流 的 大 气 条 件 下，激 光 链 路成功地传输了视频和音频信号，信号采用了复 杂的编码以处理大气的衰减和损耗。这次试验证 明了强度调制 / 直接检测（ IM / DD） 方式可以在比 较强的大气湍流条件下工作。
（ 1） 光波频率高。其频率比微波频率高 3 ～ 4 个数量级，作为通信的载波有更宽的利用频带，可 实现海量数据实时传输，对于地球科学研究、环境 灾害监测、军事信息获取等应用意义重大。
（ 2） 光波波长短。与微波相比其发射天线口 径成倍减小，同时激光发散角小，能量高度集中， 功率相对较低，使得通信终端在体积、重量和功耗 方面都具有明显优势。该特点使得光通信终端易 于搭载多种平台，实用化程度高。
收稿日期： 2012-02-28； 修订日期： 2012-03-25 基金项目： 国防科工局基础科研基金资助项目（ No． A362080230）
第2 期
付 强，等： 空间激光通信研究现状及发展趋势
117
1引言
空间激光通信经过多年探索取得了突破性进 展，已成为解决微波通信瓶颈、构建天基宽带网、 实现对地观测海量数据实时传输的有效手段，具 有很大 的 民 用 和 军 用 潜 力。其 优 势 主 要 体 现 在［1］：
2013 年 美国 NASA
2016 年 美国 AFRL
2011 年
发射 847 接收 819
1 545 ～ 1 555
接收 2． 048 Mbps 10 －7 首次低轨地面的
发射 50 Mbps
双向激光通信试验
2． 8 Gbps
宽带数据中继 传输计划
622 Mbps
“月球大气和尘埃 环境探测”计划
2003 年 3 月至 2009 年，ESA 的 ARTEMIS 卫 星上 的 激 光 通 信 终 端 SILEX 与 光 学 地 面 站
图 3 ARTMIS 卫星上的激光通信终端 SILEX 建立的 链路
Fig． 3 Established link from laser communication terminal SILEX on satellite ARTEMIS
备注
25（ 斜程）
美国 MIT 2009 年
1 550
2． 66 Gbps
64． 15
德国
800
2005 年
50 Mbps
美国
10 ～40 Gbps
2016
转型通信卫星
2． 1 欧 洲 欧洲是空间激光通信技术的引领者，研究机
构有欧空局 （ ESA） 、Matra Marconi Space 公 司 和 Oerliken 公司 等。其 中 ESA 的 卫 星 间 激 光 通 信 （ SILEX） 系统和德国的 LCTSX 系统分别标志着 空间激光通信发展的两个里程碑。
第5卷 第2期 2012 年 4 月
中国光学 Chinese Optics
Vol． 5 No． 2 Apr． 2012
文章编号 1674-2915（ 2012） 02-0116-09
空间激光通信研究现状及发展趋势
付 强1 ，姜会林1* ，王晓曼2 ，刘 智2 ，佟首峰1 ，张立中1
（ 1． 长春理工大学 空间光电技术研究所，吉林 长春 130022； 2． 长春理工大学 电子信息工程学院，吉林 长春 130022）
图 1 SILEX 系统 Fig． 1 SILEX System
2001 年 11 月 20 日，ESA 的 ARTEMIS 卫星 上的激光通信终端 SILEX 与法国地面观测卫星 SPOT4 首次实现星际间激光通信单工链路试验， 其通信波长为 800 nm，通信距离为 45 000 km，通 信速率为 50 Mbps，误码率为 10 － 6 。
发射847 接收819
50 Mbps
10 －6
接收 2． 048 Mbps 10 －7 发射 50 Mbps
同步静止轨 道 / 低轨道
同步静止轨 道 / 低轨道
5． 6 Gbps
800
通信 810 信标 852
2． 5 Gbps 10 Gbps（ 下一步）
50 Mbps
155 Mbps ～ 10 －6 1． 24 Gbps
（ 2） LCTSX 通用型终端 德国的 TerraSAR-LCTSX 终端采用零差二进 制相移键控（ BPSK） 相干探测技术，属于激光星际 链路研究计划。TerraSAR-LCTSX 星载相干激光 终端 和 搭 载 它 的 TerraSAR-X 遥 感 卫 星 如 图 4、 图 5所示。
序号 链路类型 系统名称 搭载终端 通信距离/km 国别（ 年） 通信光波长/nm 通信速率 误码率
备注
1
SILEX 低轨卫星 SPOT4
40 000
高轨卫星 ARTEMIS
2 卫星间
3
LUCE
ARTEMIS 卫星 OICETS 卫星
美国 NFIRE 德国 TerraSAR-X
45 000 5 000
Abstract： This paper reviews the outstanding advantages of space laser communication and gives the operating plans of main foreign communication links and their technological parameters． It describes the present situation of space laser communication in the United States，Europe and Japan in detail，and explains the key technologies of space laser communication． It points out that the transmission speed of the laser communication will be faster and faster in future and the communicating model also can be changed from the points to points to the relaying repeater and constructing space communication networks． Finally，this paper introduces the development of space laser communication briefly in China． Key words： space laser communication； data transmission； communication mode
（ 3） 激光方向性好。它的发射光束极窄，使 得激光通信具有高指向性，而且能够有效地提高
防窃听能力，使得对地观测数据传输具有极高的 保密性。
（ 4） 光波波段远离电磁波谱。空间激光通信 抗干扰能力比空间微波通信强得多，在机场、战区 等特殊环境下，仍能保证对地观测数据的顺畅传 输。
（ 5） 空间激光通信经过大气时，通过选择适 宜的波长、采用多点布站、自动浮动阈值、自适应 光学等措施可以有效减少气候及天气的影响。
计划
首次成功的卫星 与飞机通信试验
空间试验失败
7 8 卫星对
地面 9
LUCE LLCD
OICETS 卫星 NICT 地面站 ALPHASAT 卫星
月球对地
10
LCRD
中继卫星
11 空对空 FALCON 飞机-飞机
600 ～ 1 500
90 ～132
日本 2006 年
ESA 2013 年发射 美国 NASA
（ OGS） 做了大量试验。据统计，ARTEMIS 卫星与 OGS 之间做了 393 次双向链路试验，其中失败了 34 次，成功概率为 91. 3% ，链路保持的总时间为 78 h，OGS 系统如图 2 所示。
图 2 OGS 系统 Fig． 2 OGS system
2005 年 12 月，ESA 的 ARTEMIS 卫星上的激 光通信终端 SILEX 与日本 OICETS 卫星的激光通 信终 端 LUCE 建 立 通 信 链 路。 通 信 波 长 为 800 nm，通信距离为 45 000 km，通信速率上行数 据为2 Mbps，下行数据为 50 Mbps。
4
同步静止轨道卫
星与低轨卫星
5 卫星对 LOLA 飞机
ARTEMIS 卫星 神秘 20 飞机
38 000
STRV2
500 ～
6
LCT
低轨卫星
2 000
ESA（ 法国） 2001 年
日本，欧洲 2005 年
美国德国 2008 年 日本 JXAX 2013 年
法国 2006 年
美国 2000 年
797 ～853
（ 1． Institute of Space Photoelectric Technology，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China；
2． School of Electronics and Information Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China） * Corresponding author，E-mail： HLJiang@ cust． edu． cn
因此，先进的空间激光通信将对信息时代，特 别是数据海量传输技术的发展起到极大的促进和 支撑作用。
2 国外空间激光通信研究现状
近年来空间激光通信的研究已成为热点，特 别是美国、欧洲、日本等国家投入了大量的财力和 技术力量［2-4］。国外针对空间光通信链路的主要 成功试验及计划情况见表 1。
表 1 国外主要空间光通信任务及参数指标统计表 Tab． 1 Statistics of foreign space optical communication plans and parameters
Research status and development trend of space laser communication
FU Qiang1 ，JIANG Hui-lin1* ，WANG Xiao-man2 ，LIU Zhi2 ，TONG Shou-feng1 ，ZHANG Li-zhong1
10 Gbps 深空低速率
激光通信系统 中继计划
2． 5 Gbps 10 －9
118
中国光学
第5 卷
序号 链路类型 系统名称
12
TwinOtter
空对地
13
LCT
14 通信
TSAT
网络
搭载终端 飞机-
MIT 地面站 飞艇-地面
卫星组网
Table continued
通信距离/km 国别（ 年） 通信光波长/nm 通信速率/Mbps 误码率
摘要： 综述了空间激光通信的技术优势，总结了国外主要空间激光通信系统运行计划和相应的参数指标，重点介绍了空 间激光通信技术在美国、欧洲、日本的研究现状，给出了激光通信的关键技术。指出了未来的空间激光通信技术不仅会 使通信速率越来越高，其通信模式也会从点对点单一通信模式向中继转发和构建空间激光通信网络方向发展。最后对 我国空间激光通信技术的发展作了简要介绍。 关 键 词： 空间激光通信； 数据传输； 通信模式 中图分类号： TN929． 12 文献标识码： A doi： 10． 3788 / CO． 20120502． 0116
wenku.baidu.com
第2 期
付 强，等： 空间激光通信研究现状及发展趋势
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2006 年，法国的 LOLA 试验在 ARTEMIS 卫 星和飞机 之 间 展 开，如 图 3 所 示。飞 机 搭 载 了 ELSA 终 端，ELSA 终 端 是 降 低 了 重 量 和 体 积 的 SILEX简化 版。 在 有 湍 流 的 大 气 条 件 下，激 光 链 路成功地传输了视频和音频信号，信号采用了复 杂的编码以处理大气的衰减和损耗。这次试验证 明了强度调制 / 直接检测（ IM / DD） 方式可以在比 较强的大气湍流条件下工作。
（ 1） 光波频率高。其频率比微波频率高 3 ～ 4 个数量级，作为通信的载波有更宽的利用频带，可 实现海量数据实时传输，对于地球科学研究、环境 灾害监测、军事信息获取等应用意义重大。
（ 2） 光波波长短。与微波相比其发射天线口 径成倍减小，同时激光发散角小，能量高度集中， 功率相对较低，使得通信终端在体积、重量和功耗 方面都具有明显优势。该特点使得光通信终端易 于搭载多种平台，实用化程度高。
收稿日期： 2012-02-28； 修订日期： 2012-03-25 基金项目： 国防科工局基础科研基金资助项目（ No． A362080230）
第2 期
付 强，等： 空间激光通信研究现状及发展趋势
117
1引言
空间激光通信经过多年探索取得了突破性进 展，已成为解决微波通信瓶颈、构建天基宽带网、 实现对地观测海量数据实时传输的有效手段，具 有很大 的 民 用 和 军 用 潜 力。其 优 势 主 要 体 现 在［1］：
2013 年 美国 NASA
2016 年 美国 AFRL
2011 年
发射 847 接收 819
1 545 ～ 1 555
接收 2． 048 Mbps 10 －7 首次低轨地面的
发射 50 Mbps
双向激光通信试验
2． 8 Gbps
宽带数据中继 传输计划
622 Mbps
“月球大气和尘埃 环境探测”计划
2003 年 3 月至 2009 年，ESA 的 ARTEMIS 卫 星上 的 激 光 通 信 终 端 SILEX 与 光 学 地 面 站
图 3 ARTMIS 卫星上的激光通信终端 SILEX 建立的 链路
Fig． 3 Established link from laser communication terminal SILEX on satellite ARTEMIS
备注
25（ 斜程）
美国 MIT 2009 年
1 550
2． 66 Gbps
64． 15
德国
800
2005 年
50 Mbps
美国
10 ～40 Gbps
2016
转型通信卫星
2． 1 欧 洲 欧洲是空间激光通信技术的引领者，研究机
构有欧空局 （ ESA） 、Matra Marconi Space 公 司 和 Oerliken 公司 等。其 中 ESA 的 卫 星 间 激 光 通 信 （ SILEX） 系统和德国的 LCTSX 系统分别标志着 空间激光通信发展的两个里程碑。
第5卷 第2期 2012 年 4 月
中国光学 Chinese Optics
Vol． 5 No． 2 Apr． 2012
文章编号 1674-2915（ 2012） 02-0116-09
空间激光通信研究现状及发展趋势
付 强1 ，姜会林1* ，王晓曼2 ，刘 智2 ，佟首峰1 ，张立中1
（ 1． 长春理工大学 空间光电技术研究所，吉林 长春 130022； 2． 长春理工大学 电子信息工程学院，吉林 长春 130022）
图 1 SILEX 系统 Fig． 1 SILEX System
2001 年 11 月 20 日，ESA 的 ARTEMIS 卫星 上的激光通信终端 SILEX 与法国地面观测卫星 SPOT4 首次实现星际间激光通信单工链路试验， 其通信波长为 800 nm，通信距离为 45 000 km，通 信速率为 50 Mbps，误码率为 10 － 6 。
发射847 接收819
50 Mbps
10 －6
接收 2． 048 Mbps 10 －7 发射 50 Mbps
同步静止轨 道 / 低轨道
同步静止轨 道 / 低轨道
5． 6 Gbps
800
通信 810 信标 852
2． 5 Gbps 10 Gbps（ 下一步）
50 Mbps
155 Mbps ～ 10 －6 1． 24 Gbps
（ 2） LCTSX 通用型终端 德国的 TerraSAR-LCTSX 终端采用零差二进 制相移键控（ BPSK） 相干探测技术，属于激光星际 链路研究计划。TerraSAR-LCTSX 星载相干激光 终端 和 搭 载 它 的 TerraSAR-X 遥 感 卫 星 如 图 4、 图 5所示。
序号 链路类型 系统名称 搭载终端 通信距离/km 国别（ 年） 通信光波长/nm 通信速率 误码率
备注
1
SILEX 低轨卫星 SPOT4
40 000
高轨卫星 ARTEMIS
2 卫星间
3
LUCE
ARTEMIS 卫星 OICETS 卫星
美国 NFIRE 德国 TerraSAR-X
45 000 5 000
Abstract： This paper reviews the outstanding advantages of space laser communication and gives the operating plans of main foreign communication links and their technological parameters． It describes the present situation of space laser communication in the United States，Europe and Japan in detail，and explains the key technologies of space laser communication． It points out that the transmission speed of the laser communication will be faster and faster in future and the communicating model also can be changed from the points to points to the relaying repeater and constructing space communication networks． Finally，this paper introduces the development of space laser communication briefly in China． Key words： space laser communication； data transmission； communication mode
（ 3） 激光方向性好。它的发射光束极窄，使 得激光通信具有高指向性，而且能够有效地提高
防窃听能力，使得对地观测数据传输具有极高的 保密性。
（ 4） 光波波段远离电磁波谱。空间激光通信 抗干扰能力比空间微波通信强得多，在机场、战区 等特殊环境下，仍能保证对地观测数据的顺畅传 输。
（ 5） 空间激光通信经过大气时，通过选择适 宜的波长、采用多点布站、自动浮动阈值、自适应 光学等措施可以有效减少气候及天气的影响。
计划
首次成功的卫星 与飞机通信试验
空间试验失败
7 8 卫星对
地面 9
LUCE LLCD
OICETS 卫星 NICT 地面站 ALPHASAT 卫星
月球对地
10
LCRD
中继卫星
11 空对空 FALCON 飞机-飞机
600 ～ 1 500
90 ～132
日本 2006 年
ESA 2013 年发射 美国 NASA
（ OGS） 做了大量试验。据统计，ARTEMIS 卫星与 OGS 之间做了 393 次双向链路试验，其中失败了 34 次，成功概率为 91. 3% ，链路保持的总时间为 78 h，OGS 系统如图 2 所示。
图 2 OGS 系统 Fig． 2 OGS system
2005 年 12 月，ESA 的 ARTEMIS 卫星上的激 光通信终端 SILEX 与日本 OICETS 卫星的激光通 信终 端 LUCE 建 立 通 信 链 路。 通 信 波 长 为 800 nm，通信距离为 45 000 km，通信速率上行数 据为2 Mbps，下行数据为 50 Mbps。
4
同步静止轨道卫
星与低轨卫星
5 卫星对 LOLA 飞机
ARTEMIS 卫星 神秘 20 飞机
38 000
STRV2
500 ～
6
LCT
低轨卫星
2 000
ESA（ 法国） 2001 年
日本，欧洲 2005 年
美国德国 2008 年 日本 JXAX 2013 年
法国 2006 年
美国 2000 年
797 ～853
（ 1． Institute of Space Photoelectric Technology，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China；
2． School of Electronics and Information Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China） * Corresponding author，E-mail： HLJiang@ cust． edu． cn
因此，先进的空间激光通信将对信息时代，特 别是数据海量传输技术的发展起到极大的促进和 支撑作用。
2 国外空间激光通信研究现状
近年来空间激光通信的研究已成为热点，特 别是美国、欧洲、日本等国家投入了大量的财力和 技术力量［2-4］。国外针对空间光通信链路的主要 成功试验及计划情况见表 1。
表 1 国外主要空间光通信任务及参数指标统计表 Tab． 1 Statistics of foreign space optical communication plans and parameters
Research status and development trend of space laser communication
FU Qiang1 ，JIANG Hui-lin1* ，WANG Xiao-man2 ，LIU Zhi2 ，TONG Shou-feng1 ，ZHANG Li-zhong1