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卫星光
通信系统及其发展
class="song">谭立英 马晶 黄波
摘要
本文首先介绍了卫星光通信系统的组成，然后重点介
绍了其关键技术、发展趋势及今后研究的重点。
关键词 卫星光通信 子系统 分析
１ 引言
class="song">卫星光通信是一个较新的研究领域，美国、欧洲、日本等国都对此极其关注，并已
进行了深入的研究，这主要是因为用激光进行卫星间通信具有如下优点：
（１） 开辟了全新的通信频道，使卫星间通信容量大为增加，且有潜在
优势；
（２） 减小了卫星通信设备的体积和重量；
（３） 增加了卫星通信设备的保密性；
（４） 减少地面站，最少可只有一个地面站。
随着元器件发展，卫星光通信技术基本成熟，并正向商业化方向发展。美
国、欧洲、日本等国家都制定了多项有关卫星光通信的研究计划，对卫星光通信系统所涉及到的各
项关键技术展开了全面的研究，在最近几年卫星光通信就将进入实用化阶段。而对小卫星星座间激
光星间链路的研究更将促进其商业化发展。可以预计，卫星光通信必将成为下个世纪超大容量卫星
通信的主要途径。
我国曾开展过激光大气通信理论、技术与系统的研究，但这些工作是以实
现地—地之间大气传输光通信为应用背景。近年来对原子滤波器的研究，为实现强背景干扰（强太
阳光背景和水下散射）情况下的光通信提供了技术支持，但是距离实际应用还有相当的距离。对于
卫星间光通信技术的研究在我国已经展开，已完成了对国外研究情况的调研分析，并进行了对卫星
光通信系统的计算机模拟分析及初步的实验室模拟实验研究，对于卫星光通信关键技术的研究也正
在进行。下面，将对卫星光通信系统的构成及未来发展进行全面介绍，以推动我国卫星光通信研究
的开展。
２ 卫星光通信系
统的组成
卫星光通信系统
由下面几个主要子系统组成：
（１） 光源子系统
在卫星光通信中，通信光源至关重要。它直接影响天线的增益、探测器件
的选择、天线直径、通信距离等参量，因此对光源子系统研究十分必要。
（２） 发射、接收子系统
发射、接收子系统是卫星光通信系统的关键子系统之一。光发射机大致可
认为是光源、调制器和光学天线的级联，而光接收机则可看成是光学接收天线和探测器、解调器的
级联。
调制的作用是将
需要发射的信号调制到光载波上；探测、解调是通过光电转换器件将光信号转换为电信号。探测部
分还包括滤波、放大部分，该部分也是卫星光通信系统中必不可少的。
（３） 瞄准、捕获、跟踪子系统
瞄准、捕获、跟踪子系统是卫星光通信系统中非常重要的子系统之一。光
信号的瞄准、捕获、跟踪是卫星光通信的难点、重点。信标子系统也包括在此部分中。
另外，卫星光通信系统中，还有一些辅助器件、伺服系统、控制系统等。
下面分别对各子系统进行讨论，并给出各国卫星光通信系统的一些参数。
２．１ 光源子系统
美国ＪＰＬ实验室、加利福尼亚大学等都对光源系统进行了各方面的研
究，如电磁波在自由空间的传播损耗情况，给定发射距离和发射孔径时接收能量密度与光源波长的
关系，光在大气中的传播、吸收和散射，大气模型、大气起伏、探测器性能、激光光源性能、寿命
和技术，滤波、瞄准，信道噪声等因素。
美、欧、日在ＬＥＯ－ＬＥＯ（低轨道卫星—低轨道卫星）和ＬＥＯ－Ｇ
ＥＯ（低轨道卫星—静止轨道卫星）链路中，波长都采用８００～８５０
ｎｍ范围的ＡｌＧａＡｓ激光器，因为该范围的ＡＰＤ探测器件工作在峰值，
量子效率高、增益高。而在星地链路中的地面装置中采用倍频Ｎｄ：ＹＡＧ激光器或氩离子激光器
作为光源，波长在５１４～５３２
ｎｍ。该波段具有较强的抗干扰能力，能穿过大气而不使通信中断。而从抗太
阳的干扰因素来看以及随着半导体激光器的发展，将来卫星光通信采用的光源有向更短波段发展的
趋势。半导体激光器泵浦Ｎｄ：ＹＡＧ激光器由于不仅具有良好的相干性，而且可以做得体积很
小，因而也是将来星上激光器的一个良好选择。
２．２ 发射、接收、信标子系统
在卫星光通信系统中，发射、接收、信标子系统占有重要的地位。其中发
射、接收部分是卫星光通信系统传递信息的关键部分，而信标部分虽然是瞄准、捕获、跟踪子系统
的组成部分，但是由于它本质上与发射系统是类似的，所以将它归入此部分。
２．２．１ 发射、接收子系统
发射、接收部分主要涉及到发射及接收天线的选择，滤波元件及信号接收
（探测）器选取，调制、解调方式等问题。发射、接收天线的型式、孔径以及收发天线是否采用同
一套天线等，各国所研制的卫星光通信系统有所不同。
（１） 天线
卫星光通信系统的发射、接收天线实际上就是一个光学望远镜，天线的型
式根据具体情况可采用卡塞格伦型反射式天线或透射式天线。一般说来，在现在选用的卫星光通信
波段范围，对于孔径较大的天线，如ＳＩＬＥＸ系统的２５
ｃｍ天线，可采用反射式天线，这有助于降低天线的制造难度，提高天线的可
靠性、减轻重量；而在天线孔径较小时，则选用透射式天线，如小光学用户终端（ＳＯＵＴ）的天
线系统。
由于天线的孔径直接影响着天线的增益，孔径越大，增益越大，因此从提
高天线增益的角度来说，卫星光通信系统的天线孔径应当选取大一些。但是，孔径增大，天线的体
积、重量也要增加，故星上天线孔径也不能过大。一般卫星光通信系统的星上天线孔径在３０
ｃｍ左右，如ＳＩＬＥＸ系统装于ＧＥＯ卫星上的天线孔径为２５ ｃｍ，装
于ＬＥＯ上的为１８ ｃｍ；ＪＰＬ研制的卫星光通信系统接收天线孔径为３２
ｃｍ；日本进行空—地光通信实验的卫星光通信系统星上天线孔径为３０ ｃ
ｍ。
美国ＪＰＬ的卫星光通信系统中收发天线不共用，且用两个６００ Ｍｂ
ｉｔ／ｓ的通道实现１．２ Ｇｂｉｔ／ｓ的通信数据率，而欧、日是收发天线共用，单通道通
信。收发不共用的优点是可降低损耗，缺点是使终端体积增大，而收发共用的优点是光终端体积
小，但由于增加分光镜等分光器件，使光能的损耗增加。
（２） 滤波、探测
滤波器、探测器是接收系统中的重要部分，目前美国、欧洲、日本研制的
卫星光通信系统中的滤波基本上都采用干涉滤光片，半带宽≤７
ｎｍ，这有助于简化整个接收系统，有利于提高系统的可靠性。同时，对于Ｇ
ＥＯ－ＬＥＯ链路，由于两星间的相对运动速度很高，会造成较大的多普勒频移，因此滤波器的带
宽也不能选得过窄。从此方面考虑，干涉滤光片也是一个良好的选择。接收通信信号的探测器一般
都选用雪崩光电二极管（ＡＰＤ），因为ＡＰＤ有很高的增益，且峰值灵敏度在８００
ｎｍ附近。
在现有的卫星光通信系统中，由于均采用半导体激光器作为光源，探测都
采用直接探测方式。随着半导体激光器泵浦Ｎｄ：ＹＡＧ激光器（ＤＰＬ）的发展，相干探测系统
也得到不断的改进。由于相干探测有着比直接探测高得多的灵敏度，当ＤＰＬ发展到成熟阶段时，
卫星光通信的探测方式将转变为以相干探测为主，这也会进一步提高卫星光通信的质量。
（３） 调制、解调子系统
现有卫星光通信系统的光源基本上都选用半导体激光器，因此均采用最简
单的直接调制方式，这使得整个调制装置变得简单、可靠。在现阶段卫星光通信均采用基带传输方
式。编码方式则根据不同的系统有所不同，而且随着数据率的提高，新的编码方式、探测方法也在
不断地出现，如自差式探测、组合脉冲位置调制（ＣＰＰＭ）；利用不同偏振（极化）方向的偏振
光实现多通道传输，如ＪＰＬ研制的卫星光通信模拟系统采用不同极化的两路通道传输，每路通道
传输数据率为６００
Ｍｂｉｔ／ｓ，从而使整个系统的数据率达到１．２ Ｇｂｉｔ／ｓ。
随着激光光源种类的不断发展，适用于卫星光通信星上系统的激光器也不
仅仅只有半导体激光器。半导体激光器泵浦倍频ＹＡＧ激光器（ＤＰＬ），由于其具有体积小、相
干性好的明显优势，使用它可以采用外差探测方式，大幅度地提高探测灵敏度，并且由于在大气中
传输时，其波长（５３２
ｎｍ）具有优势，因此在星—地链路中是首选激光器。预计ＤＰＬ将是未来卫
星光通信系统中的一种重要光源。但由于ＤＰＬ等新型光源的引入，使得卫星光通信的调制方式不
再采用直接调制方式，所以调制方法也将是未来卫星光通信系统的一个重要研究方面。
２．２．２ 信标子系统
由于卫星光通信系统的通信信号光束发散角非常小，因此如果利用信号光
束进行瞄准、捕获将会是非常困难的过程。所以在卫星光通信系统中都要单独设立一个激光信标子
系统，此系统原则上应归到瞄准、捕获、跟踪子系统中，但由于其结构与发射子系统很相似，故将
其纳入此部分。下面以ＳＩＬＥＸ系统的信标系统为例介绍如下。
信标光束主要是给瞄准、捕获过程提供一个较宽的光束，以便在扫描过程
中易于探测到信标光束，进而进行后面的调整过程。在ＳＩＬＥＸ系统中，信号光束的发散半角宽
是８
μｒａｄ，在接收天线处的光斑直径只有３２０ ｍ，而信标光束的发散半角
宽为
３５０ μｒａｄ，在接收天线处的光斑直径扩展到２８ ｋｍ。信标光源波长
为８００ ｎｍ附近，系统要求信标激光器在接近寿命时仍然有不小于８
ｋＷ／Ｓｒ的光强，空间寿命为１０年，在１ ５００ ｈ的运转时间内可靠度
高于９９％。
２．２．３ 发射、接收、探测、信标子系统研究中的关键问题
（１） 温度对系统的影响
温度对卫星光通信系统的影响主要表现在对光源的输出波长和光学系统各
光学元件及支撑装置尺度的影响上。
（２） 精密光学系统的研制
发射、接收系统的天线等光学部分，不仅担负着接收发射来的光信号，使
其聚焦到信号探测器上，而且还担负着发射光束的准直及捕获、跟踪任务。卫星光通信系统的捕
获、跟踪基本是采用高精度ＣＣＤ传感器完成的，而实际的捕获、跟踪精度高低又有很大程度取决
于光学系统对接收来的光学信号成像的精确程度。因此，卫星光通信系统要求光学元件对光波波前
产生的误差非常小，一般在λ／１０～λ／３０之间，而这样的精度在光学元件的加工制造上都存
在相当的难度，所以精密光学系统的研制是发射、接收子系统研制中的关键问题之一。
（３） 振动的影响
卫星平台由于各种原因而产生的振动对卫星光通信系统会带来很大的影
响，这不仅表现在使探测、捕获过程的难度加大，而且还会使通信的误码率增加，严重时甚至会使
通信中断，这在小卫星星座的星间激光链路中更为严重。振动对卫星光通信的影响问题，已经越来
越引起人们的注意。欧空局曾对卫星平台的振动进行了空间实测，
利用地基激光雷达对卫星振动的测量也已经完成，并已有人开始了对此问题的
研究工作。然而无论如何，此问题始终是卫星光通信系统研制中的一个关键问题。
２．３ 捕获、跟踪子系统
捕获、跟踪子系统是卫星光通信系统中的一个相当重要的子系统，它关系
到卫星光通信的成败。因此各国在对卫星光通信系统的研究中，都在捕获、跟踪子系统的研究方面
投入了大量的人力、物力。各研究机构和大专院校也都提出了一些捕获、跟踪系统的方案，其中的
相当一部分做了实验室模拟。这些方案在探测时的扫描方式以及探测、跟踪传感器的选用等方面都
有所不同，应该说是各有优缺点。但被实际（如欧空局的ＳＩＬＥＸ系统以及日本已实验成功的
空—地激光链路）采用的捕获、跟踪方案是基本一致的。有关捕获、跟踪子系统将另文讨论。
class="song">３ 结束语
size="3"> 对卫星光通信技术的研究在美、欧、日等国已开展了近２０
年，但是前些年由于受到元器件技术的限制发展较慢。进入９０年代，随着元器件技术的成熟和发
展而进入商业化发展阶段。特别是小卫星星座的迅猛发展，使得对小卫星星座的星间光通信更加重
视。利用小卫星星间光通信实现全球个人移动通信，已不是遥远的事情了。
我国虽然在此方面的研究工作开展较晚，但由于卫星光通信的元器件及技
术已成熟，同时又有国外经验借鉴，如抓紧机会，定会在较短时间内赶上世界发达国家研究水平。
因此，我国应该尽快投入人力、物力，全面开展卫星光通信的研究工作。只有这样，我国才能在将
来的全球卫星商业通信中处于领先地位。
