激光通信终端技术的需求与发展

随着卫星激光通信技术的快速发展，目前在星载激光通信关键技术攻关、系统设计、激光终端工程化以及星间、星地激光通信链路试验等方面已经取得全面的进展，卫星激光通信技术从技术攻关进入工程应用阶段。目前研究的星载激光通信系统主要采用强度调制／直接探测（Intensity Modulated／Directed Detected，IM／DD）通信体制和BPSK调制／零差相干解调通信体制。相干激光通信系统可以实现高码速通信，在速率－质量比和速率－功耗比方面具有很好的技术优势。根据国外激光通信技术发展动态和技术发展规划可以看出，卫星光通信技术向高码速通信技术发展，激光通信终端的小型化、轻量化和低功耗成为研究的热点。激光通信终端的系列化和模块化成为工程化技术发展的必然趋势。为了在战场与全球信息网格（Global Information Grid，GIG）之间实现高可行性的自由空间光通信，要求空中通信平台的收发装置具有小的体积、质量和功耗（SWaP）。在新型激光通信系统中，需要实现激光多波束通信，其中激光多波束通信波束控制技术是至关重要的关键性技术。

随着激光通信链路技术和网络技术的发展，需要突破新型激光多波束通信技术，建立天基激光宽带通信网络。天基激光宽带通信网络能够提供空间高速数据传输及宽带中继转发网络。天基激光宽带通信网络主要由中继卫星、低轨卫星以及光学地面站等部分组成。美国给出了星间宽带骨干网络方案。每颗中继卫星搭载的激光通信终端可以同时和多个LEO激光终端建立激光链路。LEO－GEO激光通信链路距离为45 000 km，由于卫星激光通信系统为功率受限系统，为了满足激光通信器件的一致性和模块化设计需求，研制的激光通信终端既可以实现LEO－GEO之间的激光通信，又可以实现GEO－GEO之间的激光通信，可以采用6颗中继卫星通过激光通信链路构建星间中继宽带骨干网络，网络为环形拓扑结构，如图1.1所示。在国土范围内地面站可视范围内的中继卫星视为主卫星。6颗中继卫星都具有双向激光通信功能，能够和相邻两个激光通信终端建立激光通信链路，以实现宽带中继骨干网络的双向高速激光数据传输，如果一个终端出现问题，可以保证星间宽带骨干网络能够正常工作。

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图1.1　星间宽带中继骨干网络示意图

作为骨干节点的激光通信终端，需要和多个用户星或地面站建立链路，激光通信终端需要具有多用户接入能力，这需要激光通信终端具有多波束接入能力。目前国内外研究的激光通信系统为点对点单链路数据传输系统，采用机械式捕获跟踪机构和传统式捕获跟踪策略。由于卫星激光通信链路距离远，激光发射功率受限，需要激光光束束散角尽量接近衍射极限。受激光光束束散角的限制，机械式扫描机构只能实现点对点的激光通信，如果要实现激光多点通信，中继星（或网络主节点卫星）上需要搭载多个光学天线，难以满足卫星平台对体积、质量和功耗的要求。这就需要研究新型激光多波束通信技术，开展新型激光多波束通信技术体制研究，采用新型光学天线，实现一个激光通信终端对多个用户星和地面站的通信技术。