前言：2023年6月28日，美國國家航空航天局NASA宣布其首個雙向激光中繼系統(tǒng)完成了第一年的在軌實驗，NASA相關(guān)負責(zé)人認為該技術(shù)可能成為從太空發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的未來技術(shù)手段。

計劃背景

長期以來，空間天文臺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)動因素?？茖W(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)生更有價值的科學(xué)成果的可能性就越大。隨著時間的推移，一些技術(shù)如更高的數(shù)據(jù)帶寬射頻通信和無損數(shù)據(jù)壓縮，已經(jīng)提高了能力，但無法跟上當今可以在太空中飛行的先進儀器的需求。

光通信（或激光通信）是一項革命性的技術(shù)，可以使NASA能夠在未來承擔(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，同時減少航天器的質(zhì)量、尺寸和功率負擔(dān)。對于相同的數(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)帶寬將使具有當前數(shù)據(jù)量的任務(wù)能夠在需要更少通信活動時間的情況下運行。通信時間的節(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計劃介紹

激光通信中繼演示項目（LCRD）是由美國宇航局戈達德太空飛行中心（GSFC）、噴氣推進實驗室、加州理工學(xué)院（JPL）和麻省理工學(xué)院林肯實驗室（MIT/LL）進行的聯(lián)合項目。

2011年，LCRD計劃選定開發(fā)，原計劃于2019年在商業(yè)衛(wèi)星上發(fā)射。

2018年5月，美國審計總署（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月之前準備好發(fā)射。

到2020年4月，項目繼續(xù)延誤和成本超支問題，遲遲無法發(fā)射，直到2021年12月7日，LCRD作為美國空軍太空測試計劃衛(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激光來傳輸和接收信號，而不是航天器上傳統(tǒng)使用的無線電波系統(tǒng)。

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

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

LCRD有效負載包括一個星跟蹤器和兩個光學(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

每個光學(xué)模塊都配備一個4英寸的反射望遠鏡，產(chǎn)生約15微度的下行光束。它還容納了一個空間采集探測器，這是一個簡單的象限探測器，視野約為2微弧度。它既用于檢測掃描的上行信號，也用作信號初始拉入的跟蹤傳感器。望遠鏡通過一個磁流體動力慣性參考單元（MIRU）安裝到一個兩軸框架上。MIRU中的角速率傳感器檢測角擾動，然后使用音圈執(zhí)行器進行望遠鏡的慣性穩(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)器對傳輸?shù)墓獠ㄐ芜M行處理。每個光模塊及其對應(yīng)的調(diào)制解調(diào)器的控制由控制器提供。在發(fā)射過程中，每個光模塊都用蓋子和一次性發(fā)射鎖存器保持和保護。

LCRD飛行調(diào)制解調(diào)器

光子計數(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)。

光子計數(shù)PPM具有很高的光子效率，盡管由于探測器的限制和對更快電子設(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）開發(fā)的PPM調(diào)制解調(diào)器作為提供PPM信號的成本效益方法。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)射機用1/2速率連續(xù)連接PPM（SC-PPM）渦輪碼對數(shù)據(jù)進行編碼。編碼的數(shù)據(jù)流是卷積交錯的（以減輕大氣衰落的影響），并使用16-ary PPM調(diào)制方案進行調(diào)制（信號被放置在每16個時間槽中的一個）。使用5GHz槽時鐘速率實現(xiàn)最大數(shù)據(jù)速率;通過組合連續(xù)的插槽來實現(xiàn)較低的數(shù)據(jù)速率，有效地降低了時鐘速率，最小插槽速率為311MHz。光調(diào)制是由一個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飛行接收機是一種光學(xué)預(yù)放大直接探測接收機。經(jīng)過放大和濾波后，信號被光分割以執(zhí)行空間跟蹤、時鐘恢復(fù)和通信。上行通信信令是4-ary PPM，用一個簡單的雙比較解調(diào)器執(zhí)行二進制硬決策。所接收的上行鏈路數(shù)據(jù)流被去交錯和解碼（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，并且在太陽處于視野中時支持通信。LCRD利用MIT/LL先前設(shè)計的DPSK調(diào)制解調(diào)器作為提供DPSK信號的經(jīng)濟有效方法。它可以以72Mbps到2.88Gbps的（非編碼）速率傳輸和接收數(shù)據(jù)。在未來的中繼場景中，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)射機以2.88GHz時鐘速率產(chǎn)生一系列脈沖。在連續(xù)脈沖之間的相位差中編碼一個比特。由于解調(diào)是由Mach-Zehnder干涉儀完成的，時鐘速率保持固定。DPSK發(fā)射機采用了類似于PPM發(fā)射機的MOPA架構(gòu)。

EDFA將光信號放大到平均功率為0.5W。低于最大值的數(shù)據(jù)速率是通過“突發(fā)模式”操作來實現(xiàn)的，在這種模式下，發(fā)射機只在一小部分時間內(nèi)發(fā)送脈沖，其余時間不發(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接收器具有一個光學(xué)前置放大器級和一個光學(xué)濾波器，在這一點上，光在時鐘恢復(fù)單元和通信接收器之間被分割。接收器使用延遲線干涉儀，然后是平衡的光電探測器來比較連續(xù)脈沖的相位，對每個通道位做出艱難的決定。

雖然編碼和交錯將應(yīng)用于地面終端以減輕噪聲和大氣衰落，但DPSK飛行接收機既不解碼也不去交錯。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誤在位于目標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將在兩個地面站之間建立中繼連接。LCRD的一個重要目標是在地球同步軌道航天器上演示先進的中繼操作。LCRD將通過連接兩個光學(xué)終端的高速電子設(shè)備（HSE）實現(xiàn)各種各樣的繼電器操作。除了實時中繼操作外，電子設(shè)備還允許一條鏈路使用DPSK信號，另一條鏈路使用PPM信號。通過大氣進行光通信的一個已知挑戰(zhàn)是易受云層覆蓋的影響。HSE將包括大量的數(shù)據(jù)存儲，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將實現(xiàn)任何所需的解碼和去交錯，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，以支持各種場景。

地面站

LCRD地面部分由LCRD任務(wù)操作中心（LMOC）和兩個地面站組成。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。

當與地球同步軌道航天器上的兩個光通信終端之一通信時，每個地球地面站必須提供三個功能：接收來自地球同步軌道空間終端的通信信號，向地球同步軌道空間終端發(fā)送信號，并發(fā)送上行信標波束，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足夠大的收集器，以捕獲足夠的功率來支持數(shù)據(jù)速率;將這種光耦合到低噪聲、高效的探測器上，同時盡量減少耦合背景光;并對所接收的波形進行同步、解調(diào)和解碼。

目前LCRD有兩個地面站：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的首批運營用戶之一將是集成LCRD低地球軌道用戶調(diào)制解調(diào)器和放大器終端（ILLUMA-T）的國際空間站。該終端將從空間站上的實驗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?。?shù)據(jù)到達地球后，將被傳送給任務(wù)運營中心和任務(wù)科學(xué)家。

編輯：黃飛