國(guó)防星載光通信與星間鏈路應(yīng)用研究

導(dǎo)讀：使用激光傳輸衛(wèi)星數(shù)據(jù)，或稱(chēng)自由空間光通信(FSOC)是空間科學(xué)領(lǐng)域已被驗(yàn)證過(guò)的技術(shù)。如今，從美國(guó)初創(chuàng)企業(yè)到航空航天巨頭和主要國(guó)防承包商，多家公司正在開(kāi)發(fā)和銷(xiāo)售FSOC技術(shù)，用于與地面站或在軌衛(wèi)星或其他航天器之間的通信，速度高達(dá)每秒100千兆位。2022年以來(lái)，美國(guó)已啟動(dòng)多個(gè)測(cè)試或示范項(xiàng)目，如果成功，未來(lái)2～4年內(nèi)，F(xiàn)SOC技術(shù)將開(kāi)始在軍事和商業(yè)星座中大規(guī)模部署。

隨著地面和在軌反衛(wèi)星威脅越來(lái)越多，分布式星座的必要性愈發(fā)凸顯，天基系統(tǒng)必須盡最大可能確保下方的部隊(duì)將繼續(xù)獲得各種關(guān)鍵的作戰(zhàn)支持，例如預(yù)警、情報(bào)收集、導(dǎo)航和武器制導(dǎo)、通信和數(shù)據(jù)共享等等。

新興的衛(wèi)星激光終端使用光學(xué)技術(shù)以遞送數(shù)據(jù)流量，提供比傳統(tǒng)射頻鏈路更高的傳輸數(shù)據(jù)速率，并且更難被攔截。這些終端是美軍未來(lái)低地球軌道星座網(wǎng)絡(luò)的重要構(gòu)成元素。傳輸層中的衛(wèi)星必須以非常低的延遲將空間中的數(shù)據(jù)傳遞到地面上的軍事用戶(hù)。整個(gè)星座需要衛(wèi)星到衛(wèi)星的光學(xué)交叉鏈接，以便把太空中收集的數(shù)據(jù)立即發(fā)送到地面的軍事指揮中心。激光鏈路衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)還減少了對(duì)地面站的依賴(lài)，并將覆蓋范圍擴(kuò)大到?jīng)]有地面站的偏遠(yuǎn)地區(qū)。

對(duì)于美國(guó)軍方的數(shù)據(jù)傳輸層，美國(guó)太空發(fā)展局(SDA)的每顆衛(wèi)星將有三到五個(gè)激光鏈路，這樣它們就可以與其他衛(wèi)星、飛機(jī)、船只和地面站通話(huà)。SDA自2020年開(kāi)始規(guī)劃星座和采購(gòu)衛(wèi)星時(shí)，就把激光星間鏈路確立為實(shí)現(xiàn)理想低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的最關(guān)鍵技術(shù)之一。

NASA

通過(guò)調(diào)研航天領(lǐng)域可知，在過(guò)去的幾年里，業(yè)界已經(jīng)向NASA提供了三個(gè)空間FSOC系統(tǒng)的組件，計(jì)劃在未來(lái)兩年內(nèi)發(fā)射，產(chǎn)品供應(yīng)商為CACI公司。其中之一的ILLUMA-T系統(tǒng)將于今年被放置在國(guó)際空間站上。ILLUMA-T將使ISS成為NASA激光通信中繼演示的第一個(gè)軌道應(yīng)用，這是一顆去年發(fā)射的地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星，可以接收來(lái)自其他衛(wèi)星和航天器的光通信，并將它們傳送到地球。

NASA激光通信驗(yàn)證任務(wù)時(shí)間線

然后是計(jì)劃于年內(nèi)發(fā)射驗(yàn)證的Artemis Ⅱ光通信系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)O2O，將搭載Orion進(jìn)行首次載人飛行。NASA計(jì)劃在這個(gè)十年將宇航員帶到月球，而O2O將展示光通信傳輸寬帶數(shù)據(jù)的能力，從繞月軌道，未來(lái)甚至可能是火星。當(dāng)美國(guó)宇航員50多年后首次返回月球區(qū)時(shí)，O2O將能夠傳輸高分辨率的圖像和視頻，而不再是當(dāng)年阿波羅11號(hào)登月時(shí)拍攝的靜態(tài)、模糊、急促的黑白視頻。Artemis Ⅱ?qū)⑹鞘状握故炯す?a href="http://www.wenjunhu.com/soft/data/43-44/" target="_blank">通信技術(shù)的載人月球飛行，以高達(dá)每秒260兆比特的下行速率向地球發(fā)送數(shù)據(jù)。

國(guó)防應(yīng)用的要求與NASA的深空計(jì)劃大有不同，NASA與月球及更遠(yuǎn)的地方建立通信，且早已證明了這項(xiàng)技術(shù)的可用性。但他們的終端不是國(guó)防部的近地軌道衛(wèi)星項(xiàng)目能負(fù)擔(dān)得起的。SDA和DARPA項(xiàng)目必須挑戰(zhàn)讓業(yè)界制造小型低功耗終端，同時(shí)滿(mǎn)足苛刻的性能目標(biāo)。

SDA

在SDA進(jìn)入之前，光通信行業(yè)一直在等待商業(yè)衛(wèi)星星座來(lái)制定標(biāo)準(zhǔn)，但是多年來(lái)毫無(wú)起色。直到SDA在2021年發(fā)布了技術(shù)規(guī)范，為了競(jìng)爭(zhēng)SDA的合同，光終端制造商必須遵守這些標(biāo)準(zhǔn)，這才逐步走上正軌。

SDA從多家制造商處購(gòu)買(mǎi)衛(wèi)星，要求所有的衛(wèi)星都必須具有互操作性。光終端的投標(biāo)方也必須確保他們的硬件可以與其他供應(yīng)商的硬件互操作。眾多制造商加入了SDA的衛(wèi)星光學(xué)鏈路市場(chǎng)，包括GA-EMS、Honeywell、Tesat、Mynaric、Skyloom、Coherent、CACI等公司。

以CACI的產(chǎn)品為例。CACI的CrossBeam是一種完全集成的、緊湊耐用的自由空間光通信(FSOC)系統(tǒng)，具備低成本、大批量制造的設(shè)計(jì)條件。CrossBeam具有一個(gè)普通的半球形光束控制光學(xué)頭(如圖所示)，運(yùn)行著精細(xì)的跟蹤機(jī)制，以支持SDA的下一代衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)“擴(kuò)散型作戰(zhàn)人員空間架構(gòu)”(PWSA)。CrossBeam還支持其他低地球軌道、中地球軌道和地球同步軌道(地理)應(yīng)用。其高度可擴(kuò)展的架構(gòu)還可為飛機(jī)或地面終端的其他交聯(lián)應(yīng)用進(jìn)行定制。

CACI高速光通信終端

此外，在衛(wèi)星OISLs(通常每個(gè)衛(wèi)星四個(gè))與有效載荷數(shù)字處理器(通過(guò)RF天線連接到最終用戶(hù)和網(wǎng)關(guān))之間起接口作用的光子調(diào)制、路由和數(shù)字化(PMRD)單元是實(shí)現(xiàn)信號(hào)的靈活性、高效路由、冗余和高級(jí)多路復(fù)用的關(guān)鍵[1]。采用軟件定義技術(shù)或是一種可行的舉措。

進(jìn)一步的帶寬需求

對(duì)于SDA的星座，激光終端必須能夠以每秒2.5千兆位的速度進(jìn)行通信，但是供應(yīng)商們表示，他們最新的終端可以達(dá)到每秒10千兆位，有些甚至高達(dá)100千兆位。

2022年6月14日，諾斯羅普·格魯曼公司成功演示驗(yàn)證了一種新型加密激光通信終端Mynaric Condor Mk2。未來(lái)該公司計(jì)劃為傳輸層1期星座引入更先進(jìn)的Condor Mk3終端，可量產(chǎn)、更小、更輕型，數(shù)據(jù)速率較Mk2提升10倍，預(yù)期終端數(shù)據(jù)率介于100兆比/秒到100吉比/秒之間。如下圖所示。

Mynaric的Condor MK3光通信終端

未來(lái)幾年，為新的地球觀測(cè)星座提供服務(wù)將需要大幅擴(kuò)大帶寬。由合成孔徑雷達(dá)等新的地球觀測(cè)技術(shù)創(chuàng)建的數(shù)據(jù)文件的龐大規(guī)模，意味著原始數(shù)據(jù)根本無(wú)法使用射頻下載。這就是光通信真正的價(jià)值所在，它不僅能夠發(fā)送星載處理過(guò)的信息，還能以非常安全的方式將原始數(shù)據(jù)發(fā)送到地面。商業(yè)SAR龍頭Capella Space已經(jīng)開(kāi)始演示星間光學(xué)鏈路(OISL)，并力求與SDA的PWSA標(biāo)準(zhǔn)兼容。

現(xiàn)在真正的問(wèn)題是，能否以每秒100千兆比特的速度，對(duì)一個(gè)信號(hào)進(jìn)行波分多址接入，使其達(dá)到10倍的數(shù)據(jù)速率，也就是每秒1太比特。通信需求正在呈指數(shù)增長(zhǎng)。這一目標(biāo)已經(jīng)在路線圖上標(biāo)注，據(jù)商業(yè)界判斷它并不遙遠(yuǎn)。

小結(jié)

20多年來(lái)，通過(guò)各種各樣的演示和大量的工程工作，星載光通信技術(shù)漸趨工業(yè)化。究其原因，是美國(guó)科技航天的需求對(duì)技術(shù)的投入促進(jìn)了星載光通信的技術(shù)發(fā)展，先鋒科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)把風(fēng)險(xiǎn)降低到商界愿意押注的程度。天基國(guó)防軍事需求的出現(xiàn)則引領(lǐng)了星載光通信技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和擴(kuò)散，推動(dòng)了商業(yè)界和政府更廣泛地采用該技術(shù)。目前，美國(guó)在國(guó)防星載光通信應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)走在世界前列，并且正向更高的通信帶寬挑戰(zhàn)發(fā)起沖擊。

審核編輯 ：李倩