Overview of deep space laser communication
Abstract The deep space probe is a vital technology for observing and exploring the universe. It is thus intensifying as an aerospace research focus on an international scale. Despite improving the frequency band, the conventional microwave communication technique has difficulty satisfying the increased demand for the enormous volume of scientific data returning to the Earth. With a carrier frequency that is several orders of magnitude higher than the microwave, free-space optical communication is a robust and promising method for achieving both high bit rates and long distances in deep space communication. In this article, the history of this technology is summarized and the objective laws are formulated, while key techniques and development trends are analyzed. Finally, useful concepts and suggestions are proposed for the development of deep space laser communication in China.
Keywords deep space communication, deep space observation, development process, free space communi- cation, laser communication
Introduction
Deep space exploration is a key means for humans to investigate the Earth, solar system, and universe. This exploration may eventually reveal the origins and evolution of the universe and enable exploration of inhabitable space. Since 2003, a considerable amount of international effort has focused on deep space exploration, thus leaving satellite footprints on every planet in the solar system and beyond. China began such a project with lunar exploration and attained impressive achievements. Recently, it initiated the first Mars exploration program [1–3].
Compared to near-Earth satellites, deep space exploration exhibits the features of longer distances, more severe signal attenuation, longer transmission delays, and more highly complex environments, all of which present great challenges to transmission performance. In addition, launch window limitations require various scientific tasks to be simultaneously performed. This introduces technical challenges for various payloads to utilize multiple transmission channels and achieve excellent transmission perfor- mances. Thus, effectively transmitting the detector information and various kinds of scientific data back to the Earth under time limitations is a key concern [4, 5].
To this end, the frequency bands for microwave communication span from the S- and X- bands to the Ka band. Nevertheless, the future demands for high bit-rate data transmissions will continue to be difficult to meet. For example, the Voyager deep space probe, whose design parameters nearly reach
the limits of present engineering techniques, could only achieve transmission rates of 100 kbps between Jupiter and Earth and 10 kbps between Neptune and Earth. Even when the Ka band was used, the transmission data rate could not exceed four times the X-band. Consequently, it is difficult for microwave communication technology to achieve the 1-Mbps to 1-Gbps data rates required for future planetary telemetry technologies, such as synthetic aperture radar, multispectral/hyperspectral imaging, and high- definition video communication [2].
Deep space laser communication is a wireless communication method for transmitting images, video, and sound between deep space explorers and the Earth. It modulates the electrical signal on the optical carrier via electro-optic modulation. After the acquisition, tracking, and pointing phases, the commu- nication terminals can establish and maintain laser links in which the beams carrying information are transferred via the deep space communication channel, and the signal is received and demodulated at the receiving terminal. These laser communication links provide various benefits, including high data rates, enhanced security, higher reliability, and more powerful networking flexibility. Moreover, their communication terminals are small, lightweight, and have low power consumption [6–8].
Compared with microwave communication, laser communication operates on higher carrier frequencies and provides lower diffraction losses, better directivity, and greater transmission efficiency. It can thereby achieve high transmission rates and outstanding communication performances with lower transmitting power and smaller antenna sizes. Therefore, optical communication is particularly suitable for the fu- ture deep space exploration demands of high-speed and extremely-long-distance transmission [9–11]. In addition, with the development of deep space probes, the need to study deep space laser communication is becoming increasingly urgent. In the 1980s, the US National Aeronautics and Space Administration (NASA) proposed a deep space laser communication plan to promote the gradual development of key relevant techniques [12].
The present study was based on comprehensive research of the development of deep space laser commu- nication abroad. Accordingly, in this paper, the related objective laws are presented, prospective future trends are discussed, and suggestions are presented to promote the development of this field in China.
Development status and future trends
Because the transmission distances of deep space exploration are much longer than those of satellites in orbit around the Earth, both the technical difficulties encountered and the funds required are much higher than those of satellite laser communication. Therefore, only a few countries and organizations have launched relevant studies in this field. In its 30 years of development, deep space laser communication has made significant advances. In particular, US researchers have developed several key technologies, including the pointing, acquisition, and tracking (PAT) technique, high-sensitivity optical receivers, and ground-based arrayed telescopes. In addition, the US has successfully demonstrated lunar-Earth l
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附录A 译文
深空激光通信概述
摘要 深空探测器是一项观测和探索宇宙的重要技术。因此，作为航空航天研究的重点，它正在加强国际规模。尽管改进了频带，但传统的微波通信技术仍难以满足日益增长的大量科学数据传回地球的需求。在载波频率比微波高几个数量级的情况下，自由空间光通信是一种用于在深空通信中实现高比特率和长距离的稳健且有前途的方法。在本文中，总结了该项技术的历史，制定了客观的法则，同时分析了关键技术和发展趋势。最后，提出了中国深空激光通信发展的有益概念和建议。
关键字 深空通信；深空观测；发展进程；自由空间通信；激光通信
1 介绍
深空探测是人类研究地球、太阳系和宇宙的关键手段。这种探索可能最终揭示宇宙的起源和演化，并能够探索可居住的空间。自2003年以来，相当多的国际努力都集中在深空探测上，从而在太阳系内的每个行星及其他天体上留下了卫星足迹。中国在这个课题上开展了月球探测项目并取得了令人瞩目的成就。最近，中国又发起了第一次火星探测计划。
与近地卫星相比，深空探测具有更长距离、更严重的信号衰减、更长的传输延迟以及更复杂的环境等特点，所有这些问题都对传输性能提出了巨大挑战。此外，发射窗口的限制要求同时执行各种科学任务。这为各种有效载荷利用多个传输信道实现优异的传输性能引入了技术挑战。因此，在时间限制内有效地将探测器信息和各种科学数据传回地球是一个关键问题。
为此，用于微波通信的频带跨越从S波段和X波段到Ka波段。 然而，未来对高比特率数据传输的需求将继续难以满足。例如，Voyager深空探测器的设计参数几乎达到了目前工程技术的极限，它只能实现木星和地球之间100 kbps的传输速率和海王星与地球之间10 kbps的传输速率。即使使用Ka波段，传输数据速率也不能超过X波段的四倍。因此，微波通信技术难以实现未来行星遥测技术所需的1Mbps至1Gbps数据速率，例如合成孔径雷达，多光谱/高光谱成像和高清晰度视频通信。
深空激光通信是一种用于在深空探测器和地球之间传输图像，视频和声音的无线通信方法。它通过电光调制调制光载波上的电信号。在获取，跟踪和指向阶段之后，通信终端可以建立和维持激光链路，其中经由深空通信信道传输承载信息的波束，并且在接收终端处接收和解调信号。这些激光通信链路提供各种优势，包括高数据速率，增强的安全性，更高的可靠性以及更强大的网络灵活性。而且，它们的通信终端体积小，重量轻，功耗低。
与微波通信相比，激光通信在更高的载波频率上工作，并且提供更低的衍射损耗，更好的方向性和更高的传输效率。因此，它可以利用较低的发射功率和较小的天线尺寸实现高传输速率和出色的通信性能。因此，光通信特别适合未来高速和超长距离传输的深空探测需求。此外，随着深空探测器的发展，研究深空激光通信的需求日益迫切。20世纪80年代，美国国家航空航天局（NASA）提出了一个深空激光通信计划，以促进关键相关技术的逐步发展。
本研究是基于对国外深空激光通信发展的综合研究。因此，本文提出了相关的客观规律，讨论了未来的发展趋势，并提出了促进中国在该领域发展的建议。
2 发展现状和未来趋势
由于深空探测的传播距离远远长于地球轨道卫星的传输距离，因此遇到的技术困难和所需资金都大大高于卫星激光通信。因此，只有少数国家和组织在这一领域开展了相关研究。在其30年的发展中，深空激光通信已经取得了重大进展。特别是，美国研究人员开发了几项关键技术，包括指向，采集和跟踪（PAT）技术，高灵敏度光学接收器和地面阵列望远镜。此外，美国已成功演示了月球-地球激光通信，同时，其他国家，包括俄罗斯，一些欧洲国家和日本，已经开发了几个太空激光通信研究项目。
作为中国深空激光通信发展的参考，系统地介绍了美国深空激光通信的发展历史。
如图1所示，美国深空激光通信的发展可以划分为三个阶段：演示和实验，月球-地球验证和深空验证。
2.1 演示和试验
在第一阶段，逐步进行系统方案和实验演示，终端技术以及深空激光通信信息接收系统的开发。计划演示中的程序包括金星雷达测绘仪（VRM）程序，X2000光通信终端计划和火星激光通信演示（MLCD）计划。在信息接收系统方面，对地基，空基和天基方案进行了全面分析和比较。最终，地基接收系统被确定为最佳选择。因此，设计了一个完整的地基接收系统，该系统具有满足全天和全天候要求的基于地面的接收网分辨率。
2.1.1 系统方案演示和实验
（1）金星雷达测绘仪（VRM）任务。1983年，VRM任务，后来被称为麦哲伦任务，被用来利用成像雷达绘制金星表面地图。地图信息通过激光通信传输到地球。一个98公斤的飞行终端被设计用于将4 Mbps的数据传输到5米长的地基望远镜天线。但是，由于飞行终端技术的不成熟，该计划从未实施过。
（2）X2000光通信终端计划。始于1997年10月的X2000系统的飞行终端有一个30厘米的光学天线，能提供激光通信和基于使用相同光信号测距的能力。 从欧罗巴到地球的传输速率设计在100到400 kbps之间，而火星和地球之间的传输速率则升级到每秒几兆比特。由于预算限制，只完成了X2000飞行终端的结构设计。
（3）火星激光通信演示（MLCD）。为了满足对深空通信不断增长的需求，NASA制定了一项计划，在这种情况下实现1到1000 Mbps的高数据速率。2003年，NASA戈达德太空飞行中心（GSFC），喷气推进实验室（JPL）和麻省理工学院（MIT）林肯实验室合作开展了一项MLCD项目，该项目旨在展示1至30 Mbps下行链路数据速率和10 kbps的上行链路数据速率。收发器设计中使用的飞行终端拥有一个30.6厘米孔径的光学天线，利用32进制和64进制脉冲位置调制（PPM），而地面接收系统包含两个天线孔径为5米和的1.6米的终端。
该飞行终端计划与火星电信轨道器（MTO）一起发射。由于修订后的计划，它最终终止了。但是，系统要求、分析、飞行和地面子系统的初步设计已经完成，并为各种关键技术带来了重大突破，包括深空光束稳定，高效光子计数和日间地面操作。这些进步为实现后续月球激光通信的演示程序奠定了重要基础。
2.1.2 信息接收系统研究
（1）地基接收系统方案。在各自的成本，性能和稳定性方面，地基网络解决方案与其他解决方案相比具有明显的优势。1994年，美国国家航空航天局开始实施一种地基天线接收技术，提出了两套网络结构方案。一个是线性分散的光学子网（LDOS），其中六到八个相互冗余的光学站在地球周围均匀分布。 另一个是集群光纤子网（COS），其中三个10米天线放置在三个无线网络深空通信接收站附近。一组中的每个天线在相同的经度上相隔数百公里，确保它们处于不同的天气条件下。 结果表明，两种方案的天气可用性高达97％，LDOS更经济。
（2）天基接收系统方案。1993年，斯坦福电信（STeL）和TRW共同承担由NASA资助的名为地球轨道光接收终端（EOORT）的任务。为此，STeL设计了一个16米多芯片主望远镜，TRW设计了一个用于直接探测的遥控10米孔径望远镜和一个具有衍射极限的4米孔径相干探测天基望远镜。1998年，JPL分析了一个7米孔径望远镜，用于直接探测光学中继卫星，其能力相当于10米孔径地基天线，其工作高度为30°，天气可用性为70％。此外，EOORT接收器具有相同尺寸的孔径，并且可以在98％的天气可用性，1064nm的激光波长和小于18W的功率下操作。它甚至可以支持100 W信标灯作为火星与地球之间的10 Mbps激光通信联系。虽然在外层空间使用时它可以忽略云层覆盖和大气折射的影响，但它没有地基系统的成本更具竞争力。
此外，为解决云层覆盖问题，提出了一种基于70 cm孔径天基接收站和多个地面站的联合接收方案。然而，具有小孔径的基于空间的接收系统接收的深空激光信号的稳定性和连续性仍然需要进一步研究。
- 空基接收系统方案。空基方案包括气球，飞艇和飞机，在云层和大部分大气层之上工作。空基终端可以减轻天空背景和大气湍流的影响，从而增加可用链路的数量并减小孔径尺寸要求。对于平台姿态噪声，单点故障，视场阻塞和成本，空基接收系统方案不是最佳选择。
2.2 月球-地球激光通信演示
2008年，美国宇航局启动了月球激光通信演示（LLCD）计划，在该计划中，月球卫星与地球上的地面站之间建立了双向通信链路，以验证以高数据速率运行紧凑、轻便的飞行终端的可行性。2013年初，蒙娜丽莎的灰度图像从戈达德太空飞行中心传送到月球大气和尘埃环境探测器（LADEE）上的月球勘测轨道器（LRO），代表了月球和地球之间图像的第一次激光传输。2013年10月，飞行和地面终端分别实现了622 Mbps和20 Mbps的下行和上行数据速率。此外，月球和地球之间的第一次连续测距达到了亚厘米的精度。
以下小节提供了LLCD的概述，包括其系统组成，方案特征和未来发展。
2.2.1 LLCD系统组成
如图2所示，该系统由Lunar Lasercom空间终端（LLST），Lunar Lasercom地面终端（LLGT）和Lunar Lasercom运营中心（LLOC）组成。 考虑到天气变化，LLCD包括三个地面站：新墨西哥州的LLGT，加利福尼亚州的Lunar Lasercom OCTL终端（LLOT）和加那利群岛的Lunar Lasercom光学地面站（LLOGS）。为了减少恶劣天气对LLCD的影响，不同的地面站由位于马萨诸塞州列克星敦的麻省理工学院林肯实验室的Lunar Lasercom运营中心（LLOC）协调。
2.2.2 LLCD方案特征
（1）LLST的方案特征。 如图3所示，LLST由光模块，调制解调器模块和控制模块组成，每个模块的质量为30 kg，功耗约为90 W。
光学模块包括一台Kassai Green望远镜，在双轴万向节上有10厘米的光圈。 望远镜和后端光学组件使用磁流体动力学惯性参考单元（MIRU）来抑制由航天器引起的高频振动。望远镜固定在万向节上，使激光链路能够在很宽的范围内进行粗略瞄准。 同时，采集和跟踪检测器包括具有2mrad视图的InGaAs象限检测器，并用于获取和跟踪上行链路信号。其激光束通过单模光纤从望远镜传输到调制和解调模块中的光电检测组件。
调制解调器模块采用模块化设计策略，主要由纵向放置的四个盒子组成。 电光箱包括0.5W主振荡功率放大器，前置放大器，用于产生和放大下行链路数据以及接收和解调上行链路信号检测器。该模块还包含一个连接到LADEE探测器的高速数据接口板，用于在下行链路通信中传输探测器遥测和科学有效载荷数据。 模块化设计的一个优点是所有盒子都可以同时操作，减少了安装和测试时间。 另一个优点是每个盒子可以根据需要灵活配置。
LLST控制器模块是基于单片微计算机的航空航天电子模块，其连接到光学和调制/解调模块以及检测器。该模块还具有到光学模块传感器和为光学致动器提供闭环控制算法的致动器的输入/输出接口。它可以配置和发送指令以控制调制/解调模块。 此外，控制模块向LADEE和LLST有效载荷提供指令和遥测数据，用于发送接收的上行链路指令，下行链路遥测数据和从LADEE获得的其他信息，例如时间和检测器姿态。
- LLGT的方案特征。LLGT系统是LLCD的主要地面终端，如图2所示。该系统包括望远镜阵列和控制室。 包括温控盖，其总高度约为4.6米，总重量约为7吨。 该系统采用便携式设计，其重量和体积均为射频（RF）天线的25％。
在望远镜阵列中，四组15cm的折射天线用于上行链路传输，四组40cm的反射接收天线用于下行链路接收。阵列可以延伸以降低成本。此外，它利用空间分集来减轻大气湍流对其激光链路的影响。
同时，控制室包含激光发射器，光接收器，所有电子设备，控制和监视设备，空气处理器和操作区域。附近的冷却装置用于冷却望远镜，压缩机和控制室。
接收器系统采用超导纳米线探测器阵列（SNDA）。该SNDA由四个超导纳米线单光子探测器（SNSPD）组成，安装在低温制冷容器内。每个SNSPD包含四个氮化铌纳米线。SNDA可以提供高（高于50％）的检测效率，低抖动（全宽度约为60 ps的一半），低噪声（带有黑暗计数率低于50 kHz）和快速响应（大约15 ns重启时间），所有这些都是高数据速率下行链路所需的。机架配备有高速电子设备，并具有与各种数据源和目标的接口，可用于处理SNDA的输出并比较上行链路和下行链路时钟。
发射机系统使用四个基于掺铒光纤放大器的10W光发射机发射四种PPM信号。使用具有125mu;m2有效磁芯横截面积的超大型单模光纤来减少当单个EDFA将高峰值功率信号传输到望远镜时发生的非线性光学效应，并调整其功率比 针对每种不同的应用场景。
2.2.3 LLCD的后续开发
LLCD代表了美国宇航局在验证深空激光通信可行性方面迈出的第一步。 虽然这是一项短期任务，无法提供足够的应用经验来支持未来的深空激光通信，但其成功实施仍然非常重要。
作为LLCD的后续行动，美国宇航局启动了激光通信中继演示（LCRD）任务。 LCRD的飞行和地面终端都是根据LLCD中使用的那些开发的。LCRD将是美国国家航空航天局用于演示和验证近地和深空距离的长期
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