空间激光通信研究现状及发展趋势分析_张宇
空间激光通信研究现状及发展趋势分析
张 宇1,刚建勋2,杜 茜3
(1.中国人民解放军91599部队,山东莱阳,265200;2.中国人民解放军92212部队,山东青岛,266002;
3.西安微电子技术研究所,陕西西安,710065)
摘要：首先，本文对现阶段空间激光通信发展中的关键技术展开了深入探究，分别对高功率、高速率激光调制发射技术、复杂环境下维持高灵敏度的光信号接收技术、高精度APT 技术以及发射接收光学系统及基台技术进行介绍；接下来，又提出了空间激光通信发展趋势，包括通信速率继续提高及光通信组网取代点对点通信两个方面。关键词：空间激光通信；通信网络；发展趋势
The research status and development trend of space laser
communication
Zhang Yu 1,Gang Jianxun 2,Du Qian 3
（1.Chinese people's Liberation Army 91599 troops,Laiyang Shandong,265200;2.Chinese people's Liberation Army 92212 troops,Qingdao Shandong,266002;3.Xi'an Institute of microelectronics technology,Xi'an, Shaanxi,710065)
Abstract ：First,this paper the key technologies of at this stage in the development of space laser communication launched a probing,respectively under the high power, high speed modulation of laser emission technology and complex environment to maintain high sensitivity optical signal receiving technique,high precision of APT Technology and emission receiving optical system and the base station technology are introduced.Then,it puts forward the development trend of space laser communication,including communication rates continue to improve and optical communication network instead of point to point communication. Keywords ：space laser communication;communication network;development trend
0 前言
经过多年的技术经验积累和探索研究，目前，空间激光通信应用已取得了巨大的发展成就，不仅能够有效解决微博通信的难题，构建可靠的天基宽带网，还可通过对地观测，完成海量数据的即时传输，应用范围十分广泛，无论是民用领域，还是军事领域，都拥有着巨大的开发潜力。因此，近几年来，各个国家都展开了针对空间激光通信的深入研究，尤其是欧盟、美国、日本等发达国家，已将这一技术作为重点研究领域，并投入了巨大的资金和人才力量。我国为了在空间激光通信领域取得进展，就应对对其现阶段的关键技术要点进行分析，认清发展现状，从而更好地把握其未来的发展趋势并做好相应的技术准备。
1 现阶段空间激光通信发展中的关键技术探究
1.1 高功率、高速率激光调制发射技术
目前，空间激光通信领域的发展中，在激光调制发射技术方面，已达到高功率及高速率的发展水平。整个发射系统中，由激光器，驱动器，温度控制，功率控制，光放大器，光学天线以及通信编码等部分构成。与此同时，还采用了电子滤波，光学滤波的方案，通过自适应技术滤波技术，使信噪比得以提高。
1.2 复杂环境下维持高灵敏度的光信号接收技术
在激光接收方式上，现阶段常用的有两种，分别是直接探测及相干探测。其中，直接探测方法的应用更为广泛，是空间激光通信系统的常见手段，在技术上更为成熟。但仍有一定不足，表现为在探测过程中，元器件性能的高低，直接会对探测灵敏度产生影响。探测灵敏度与通信速率呈现负相关的比例关系，即如果通信
DOI ：10.16520/https://www.wendangku.net/doc/2e98966.html,ki.1000-8519.2015.11.036 网络出版时间：2015-07-08 17:10
速率升高，那么其灵敏度必然下降。因而在其他技术条件不变的
情况下，如果使用相干探测方法，对于光接收机而言，将对灵敏度
的提升产生积极的作用，一般提高幅度可到10~20dB。但与此同
时，相干探测对应用条件有更高的技术标准，信号光必须与本振
光之间应表现出良好的相关性，频率应保持稳定，同时在空间光
场匹配上，也应尽量做到精确。为了实现这一探测方法，需配合应
用复杂的系统，技术难度较大，但由于所达到的灵敏度更高，因此
已成为当前的重点研究对象。
1.3 高精度
APT技术
为达到高精度实时跟踪的目的，可利用粗精复合轴APT技
术。在应用粗跟踪的情况下，可获得更大的视场，同时可降低伺服
带宽，因此可实现快速捕获，使粗跟踪更加稳定，操纵信标光斑，
使其移入精跟踪视场。进入到精跟踪环境下，动态范围将相对缩
小，同时提高伺服带宽，实现跟踪精度的提升，对于粗跟踪带来的
残差，可对其进行有效控制。对于复合轴APT分系统而言，其最终
可达到的精度，将与精跟踪伺服的单元性能紧密关联。
1.4 发射接收光学系统及基台技术
为了顺利实现通信，首先应安排好发射接收光学系统及基
台。在整个空间激光通信过程中，这一技术设施起着极为关键性
的作用。为了保证其性能的正常发挥，应采用集成化设计，实现更
为完善的功能，如实现基台小型化设计，轻量化设计，还可进行消
杂光设计，同时完成高精度装调，针对重点研发方向进行研究探
索。
2 空间激光通信发展趋势
2.1 通信速率继续提高
目前，APT技术已经取得了较大突破，这使得通信性能的标
准提高，并成为研究的核心要点。由于速率与灵敏度成反比，发射
功率与远通信距离在参数上存在一定矛盾，为了解决上述问题，
通信分系统得以研制成功，波段为1550nm，能够在高速率调制的
同时，完成高功率发射，由于发射功率较高，因而即使在高速率的
条件下，仍能维持良好的灵敏度。另外还研制成功了空间相干激
光通信分系统，与传统IM/DD探测技术相比，在这种新的探测方
式应用下，相干通信的高灵敏度得到了有效发挥。这样一来，其传
输速率就可升至Gbps量级。目前，国外针对未来5-10年的技术
研究，制定了相应的空间激光通信计划，通信速率指标有所提升，
需达到5-40Gbps。根据链路不同，能够满足高分辨率，进行海量
数据的即时传输。
2.2 光通信组网取代点对点通信
从当前的发展趋势来看，这项技术的系统性能正不断提高，
原有的点对点通信模式，正逐渐被新兴的光通信组网所取代。中
继转发正成为技术的核心要点，整体的通信网络构造则成为主流
的发展方向。为了使天空及地面得到全方位覆盖，保证信息传输
的时效性，就必须构建一个完善的天基信息网络，使同步静止轨
道，中轨道，以及低轨道卫星，航天飞机，宇宙飞船，浮空平台，航
空平台，以及地面平台互相连接。
3 我国空间激光通信的发展概况
目前，我国也开始在空间激光通信技术的研究方面进行了大
力投入，并取得了良好成效。在这些研究项目中，主要是围绕相同
的研究课题，从不同的角度，展开通信的研究。从表1可以得知，
在空间激光通信这一领域，我国主要研究机构所确定的不同研究
方向。面对科技竞争空前激烈的当今发展时代，为了使我国的综
合国力得以进一步提升，提高科技实力，就应当把握机遇，大力进
行空间激光通信的研发，突破关键技术，展开系统性的研究，使其
表1 我国研究机构及研究方向
（下转97页）
电机的速度的调节可通过改变LMD18200的5脚的PWM 波输入端的占空比实现。总之，以LMD18200为核心的驱动电路具有稳定性好、可靠安全、功率大、容易实现能优势。与以分离元件为核心的驱动控制电路相比，以LMD18200为核心的驱动控制电路更加的简化，单片机控制主板的面积也更小，有效促进了电机控制板的微型化发展。具体的应用方法如下：程序内部只能判断加速或减速需要，主MCU 据此向数字驱动集成芯片LMD18200下达指令，LMD18200芯片产生频率加倍或减倍的输出指令，加倍输出指令会控制直流电动机加速运转，减倍输出指令会控制直流电动机减速运转，继继而实现对电机运转速度的控制。
2 软件应用
系统多任务的管理以及调度是通过嵌入式实时操作系统μCLinux 实现的，是软件平台的核心组件。根据电机控制的具体要求，用户调用μCLinux 的任务调度函数对任务进行处理，通过任务切换操作，确保就绪任务中的优先任务及时得到处理，继而完成电机的实际控制需要。具体应用方法：把测量设为最优先等级，其次是数据预处理，然后是驱动输出。首先保证测量任务的可靠性以及实时性，然后对测量数据作低通滤波处理，采样数据预处理后才能驱动输出。电机故障报警功能使其具备较强的故障保护能力，相关的任务根据轻重环境可只能划定优先等级。人机交互功能的优先级最低，主要功能是通过显示器显示电机转速和温度。嵌入式实时操作系统μCLinux 工作时，会先进行一系列的初始化操作，比如CPU 初始化、主要任务控制块初始化（TCB）、操作系统初始化以及优先级表初始化，然后进行新任务创建、空任务创建，甚至在创建子任务，最后采用OSSTART 函数对任务进行调度，具体流程如图2所示。
3 结论
传统意义上的电机控制系统非常依赖硬件结构，控制功能越多、控制性能要求越高预示着硬件结构就越复杂、庞大，而高性能微处理器芯片的出现极大地降低了电机控制系统对硬件的依赖，使得电机控制系统能在较为简单的硬件结构下进行及时、高效的控制操作，在提高运行速度的同时，还能降低开发成本和时间，简化电路，而简化电路有利于机控制系统的抗干扰性和可靠性的进一步提升。不过，对于嵌入式单片机在电机控制系统中实际应用，还是要综合考虑多方面的因素，根据控制要求、经济条件、扩展需要以及具体工况条件选择最合适的嵌入式单片机，实现经济效益和使用功能的双重实现。
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（上接94页）
迅速转向应用领域，从而为一体化的通信网络的实现，以及信息组网的建设，提供坚实的物质保障。
4 结论
本文通过对空间激光通信研究现状及发展趋势进行全面深入的分析和探究，指出在现阶段的发展过程中，空间激光通信已成为国际领域的研究热点，有着广阔的发展前景。本文对现阶段空间激光通信发展中的关键技术进行了较为详尽的说明，同时也对空间激光通信发展趋势提出了一定看法，并在此基础上对我国空间激光通信的发展进行了简要的概括。
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