前言：2023年6月28日，美國(guó)國(guó)家航空航天局NASA宣布其首個(gè)雙向激光中繼系統(tǒng)完成了第一年的在軌實(shí)驗(yàn)，NASA相關(guān)負(fù)責(zé)人認(rèn)為該技術(shù)可能成為從太空發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的未來(lái)技術(shù)手段。

計(jì)劃背景

長(zhǎng)期以來(lái)，空間天文臺(tái)與地球之間的通信鏈路一直是關(guān)鍵的任務(wù)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)因素。科學(xué)或探索發(fā)現(xiàn)的信息必須傳回地球;傳回的數(shù)據(jù)越多，該任務(wù)產(chǎn)生更有價(jià)值的科學(xué)成果的可能性就越大。隨著時(shí)間的推移，一些技術(shù)如更高的數(shù)據(jù)帶寬射頻通信和無(wú)損數(shù)據(jù)壓縮，已經(jīng)提高了能力，但無(wú)法跟上當(dāng)今可以在太空中飛行的先進(jìn)儀器的需求。

光通信（或激光通信）是一項(xiàng)革命性的技術(shù)，可以使NASA能夠在未來(lái)承擔(dān)更復(fù)雜的任務(wù)，這些任務(wù)需要更快的數(shù)據(jù)傳輸速率，同時(shí)減少航天器的質(zhì)量、尺寸和功率負(fù)擔(dān)。對(duì)于相同的數(shù)據(jù)速率（例如1Gbps的輸出），光通信系統(tǒng)將比可比較的射頻系統(tǒng)需要更少的質(zhì)量、功率和體積。

除了可能節(jié)省質(zhì)量、重量和功率之外，更高的數(shù)據(jù)帶寬將使具有當(dāng)前數(shù)據(jù)量的任務(wù)能夠在需要更少通信活動(dòng)時(shí)間的情況下運(yùn)行。通信時(shí)間的節(jié)省將減少航天器和支持通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的操作限制。

LCRD計(jì)劃介紹

激光通信中繼演示項(xiàng)目（LCRD）是由美國(guó)宇航局戈達(dá)德太空飛行中心（GSFC）、噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、加州理工學(xué)院（JPL）和麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室（MIT/LL）進(jìn)行的聯(lián)合項(xiàng)目。

2011年，LCRD計(jì)劃選定開(kāi)發(fā)，原計(jì)劃于2019年在商業(yè)衛(wèi)星上發(fā)射。

2018年5月，美國(guó)審計(jì)總署（GAO）表示，雖然出現(xiàn)了延誤、資金削減和成本超支的情況，但它應(yīng)該可以在2019年11月之前準(zhǔn)備好發(fā)射。

到2020年4月，項(xiàng)目繼續(xù)延誤和成本超支問(wèn)題，遲遲無(wú)法發(fā)射，直到2021年12月7日，LCRD作為美國(guó)空軍太空測(cè)試計(jì)劃衛(wèi)星（STPSat6，STP-3發(fā)射的一部分）的有效載荷由Atlas V火箭發(fā)射升空，預(yù)定軌道略高于地球靜止軌道。

LCRD使用紅外光或不可見(jiàn)激光來(lái)傳輸和接收信號(hào)，而不是航天器上傳統(tǒng)使用的無(wú)線(xiàn)電波系統(tǒng)。

LCRD的主要任務(wù)是在運(yùn)行環(huán)境中提供兩年的連續(xù)高數(shù)據(jù)速率光通信，演示光通信如何滿(mǎn)足NASA對(duì)更高數(shù)據(jù)速率的不斷增長(zhǎng)的需求。此外，LCRD的架構(gòu)將允許它作為空間中的測(cè)試平臺(tái)，用于開(kāi)發(fā)額外的符號(hào)編碼、鏈路和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議等。

LCRD的有效負(fù)載包括：兩個(gè)光通信模塊、兩個(gè)光模塊控制器、兩個(gè)差分相移鍵控調(diào)制解調(diào)器、兩個(gè)脈沖位置調(diào)制（PPM）解調(diào)器。

LCRD有效負(fù)載包括一個(gè)星跟蹤器和兩個(gè)光學(xué)模塊（左），它們產(chǎn)生紅外激光，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降厍蚧驈牡厍騻鬏敂?shù)據(jù)

LCRD慣性穩(wěn)定光學(xué)模塊

每個(gè)光學(xué)模塊都配備一個(gè)4英寸的反射望遠(yuǎn)鏡，產(chǎn)生約15微度的下行光束。它還容納了一個(gè)空間采集探測(cè)器，這是一個(gè)簡(jiǎn)單的象限探測(cè)器，視野約為2微弧度。它既用于檢測(cè)掃描的上行信號(hào)，也用作信號(hào)初始拉入的跟蹤傳感器。望遠(yuǎn)鏡通過(guò)一個(gè)磁流體動(dòng)力慣性參考單元（MIRU）安裝到一個(gè)兩軸框架上。MIRU中的角速率傳感器檢測(cè)角擾動(dòng)，然后使用音圈執(zhí)行器進(jìn)行望遠(yuǎn)鏡的慣性穩(wěn)定。光纖將光模塊耦合到調(diào)制解調(diào)器上，調(diào)制解調(diào)器對(duì)傳輸?shù)墓獠ㄐ芜M(jìn)行處理。每個(gè)光模塊及其對(duì)應(yīng)的調(diào)制解調(diào)器的控制由控制器提供。在發(fā)射過(guò)程中，每個(gè)光模塊都用蓋子和一次性發(fā)射鎖存器保持和保護(hù)。

LCRD飛行調(diào)制解調(diào)器

光子計(jì)數(shù)和脈沖位置調(diào)制（PPM）已被確定為深空任務(wù)的首選技術(shù)，而差分相移鍵控（DPSK）是目前近地任務(wù)的首選技術(shù)。LCRD將演示這兩種技術(shù)。

光子計(jì)數(shù)PPM具有很高的光子效率，盡管由于探測(cè)器的限制和對(duì)更快電子設(shè)備的要求，最終數(shù)據(jù)速率受到限制。LCRD利用為NASA月球激光通信演示（LLCD）開(kāi)發(fā)的PPM調(diào)制解調(diào)器作為提供PPM信號(hào)的成本效益方法。LLCD調(diào)制解調(diào)器支持39～622mbits/s的可變下行速率和10～20mbps的可變上行速率。

PPM飛行發(fā)射機(jī)用1/2速率連續(xù)連接PPM（SC-PPM）渦輪碼對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。編碼的數(shù)據(jù)流是卷積交錯(cuò)的（以減輕大氣衰落的影響），并使用16-ary PPM調(diào)制方案進(jìn)行調(diào)制（信號(hào)被放置在每16個(gè)時(shí)間槽中的一個(gè)）。使用5GHz槽時(shí)鐘速率實(shí)現(xiàn)最大數(shù)據(jù)速率;通過(guò)組合連續(xù)的插槽來(lái)實(shí)現(xiàn)較低的數(shù)據(jù)速率，有效地降低了時(shí)鐘速率，最小插槽速率為311MHz。光調(diào)制是由一個(gè)主振蕩器功率放大器（MOPA）結(jié)構(gòu)完成的，用Mach-Zehnder調(diào)制器調(diào)制1550nm的連續(xù)波（CW）激光，并用兩級(jí)摻鉺光纖放大器（EDFA）將其放大到平均功率為0.5W。

PPM飛行接收機(jī)是一種光學(xué)預(yù)放大直接探測(cè)接收機(jī)。經(jīng)過(guò)放大和濾波后，信號(hào)被光分割以執(zhí)行空間跟蹤、時(shí)鐘恢復(fù)和通信。上行通信信令是4-ary PPM，用一個(gè)簡(jiǎn)單的雙比較解調(diào)器執(zhí)行二進(jìn)制硬決策。所接收的上行鏈路數(shù)據(jù)流被去交錯(cuò)和解碼（在上行鏈路上應(yīng)用速率-?SC-PPM編碼）。

LCRD還將支持差分相移鍵控（DPSK），DPSK具有卓越的噪聲容忍度，可以在極高的數(shù)據(jù)速率下使用，并且在太陽(yáng)處于視野中時(shí)支持通信。LCRD利用MIT/LL先前設(shè)計(jì)的DPSK調(diào)制解調(diào)器作為提供DPSK信號(hào)的經(jīng)濟(jì)有效方法。它可以以72Mbps到2.88Gbps的（非編碼）速率傳輸和接收數(shù)據(jù)。在未來(lái)的中繼場(chǎng)景中，它可以被更高速率的DPSK調(diào)制解調(diào)器取代，該調(diào)制解調(diào)器將支持超過(guò)10Gbps的數(shù)據(jù)速率。

DPSK調(diào)制解調(diào)器在上行和下行方向上使用相同的信令。DPSK發(fā)射機(jī)以2.88GHz時(shí)鐘速率產(chǎn)生一系列脈沖。在連續(xù)脈沖之間的相位差中編碼一個(gè)比特。由于解調(diào)是由Mach-Zehnder干涉儀完成的，時(shí)鐘速率保持固定。DPSK發(fā)射機(jī)采用了類(lèi)似于PPM發(fā)射機(jī)的MOPA架構(gòu)。

EDFA將光信號(hào)放大到平均功率為0.5W。低于最大值的數(shù)據(jù)速率是通過(guò)“突發(fā)模式”操作來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在這種模式下，發(fā)射機(jī)只在一小部分時(shí)間內(nèi)發(fā)送脈沖，其余時(shí)間不發(fā)送光功率。由于EDFA受平均功率限制，使得脈沖期間的峰值功率增加。

DPSK接收器具有一個(gè)光學(xué)前置放大器級(jí)和一個(gè)光學(xué)濾波器，在這一點(diǎn)上，光在時(shí)鐘恢復(fù)單元和通信接收器之間被分割。接收器使用延遲線(xiàn)干涉儀，然后是平衡的光電探測(cè)器來(lái)比較連續(xù)脈沖的相位，對(duì)每個(gè)通道位做出艱難的決定。

雖然編碼和交錯(cuò)將應(yīng)用于地面終端以減輕噪聲和大氣衰落，但DPSK飛行接收機(jī)既不解碼也不去交錯(cuò)。調(diào)制解調(diào)器轉(zhuǎn)而支持中繼架構(gòu)，其中上行和下行鏈路錯(cuò)誤在位于目標(biāo)地面站的解碼器中一起糾正。

光學(xué)終端的高速電子設(shè)備連接

作為光中繼演示，LCRD將在兩個(gè)地面站之間建立中繼連接。LCRD的一個(gè)重要目標(biāo)是在地球同步軌道航天器上演示先進(jìn)的中繼操作。LCRD將通過(guò)連接兩個(gè)光學(xué)終端的高速電子設(shè)備（HSE）實(shí)現(xiàn)各種各樣的繼電器操作。除了實(shí)時(shí)中繼操作外，電子設(shè)備還允許一條鏈路使用DPSK信號(hào)，另一條鏈路使用PPM信號(hào)。通過(guò)大氣進(jìn)行光通信的一個(gè)已知挑戰(zhàn)是易受云層覆蓋的影響。HSE將包括大量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，以便在上行鏈路可用但下行鏈路不可用的情況下演示存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)中繼服務(wù)。HSE將支持延遲容忍網(wǎng)絡(luò)（DTN）協(xié)議。為了支持DPSK光鏈路上的DTN，HSE將實(shí)現(xiàn)任何所需的解碼和去交錯(cuò)，以便有效載荷能夠處理和路由數(shù)據(jù)（速率低于最大DPSK吞吐量）。鏈接操作將是可配置的，以支持各種場(chǎng)景。

地面站

LCRD地面部分由LCRD任務(wù)操作中心（LMOC）和兩個(gè)地面站組成。LMOC將執(zhí)行LCRD有效載荷和地面站的所有調(diào)度、指揮和控制。

當(dāng)與地球同步軌道航天器上的兩個(gè)光通信終端之一通信時(shí)，每個(gè)地球地面站必須提供三個(gè)功能：接收來(lái)自地球同步軌道空間終端的通信信號(hào)，向地球同步軌道空間終端發(fā)送信號(hào)，并發(fā)送上行信標(biāo)波束，以便地球同步軌道空間終端指向地球上的正確位置。

地球上的接收器必須提供一個(gè)足夠大的收集器，以捕獲足夠的功率來(lái)支持?jǐn)?shù)據(jù)速率;將這種光耦合到低噪聲、高效的探測(cè)器上，同時(shí)盡量減少耦合背景光;并對(duì)所接收的波形進(jìn)行同步、解調(diào)和解碼。

目前LCRD有兩個(gè)地面站：位于南加州圣蓋博山脈的光學(xué)地面站（OGS）-1和夏威夷哈雷阿卡拉光學(xué)地面站（OGS）-2。

結(jié)尾

下一步，LCRD的首批運(yùn)營(yíng)用戶(hù)之一將是集成LCRD低地球軌道用戶(hù)調(diào)制解調(diào)器和放大器終端（ILLUMA-T）的國(guó)際空間站。該終端將從空間站上的實(shí)驗(yàn)和儀器接收高分辨率科學(xué)數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃CRD，LCRD再將其傳輸?shù)降孛嬲尽?shù)據(jù)到達(dá)地球后，將被傳送給任務(wù)運(yùn)營(yíng)中心和任務(wù)科學(xué)家。

編輯：黃飛