張金剛，周廣銘，張大銘，于思源,李 博,馬 晶,譚立英

(1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院，哈爾濱 150001)

0 引言

我國(guó)在信息通信網(wǎng)絡(luò)研究和建設(shè)中取得了巨大的進(jìn)步，特別是5G的發(fā)展與建設(shè)已經(jīng)走在世界前列。在國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略中，天地一體化網(wǎng)絡(luò)是我國(guó)正在建設(shè)的信息化重要基礎(chǔ)設(shè)施，在保障和拓展國(guó)家利益、維護(hù)國(guó)家安全、促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高我國(guó)國(guó)際影響力等方面具有重大意義。天地一體化網(wǎng)絡(luò)重大項(xiàng)目能夠有效解決我國(guó)信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)整體不平衡的問(wèn)題，為各類用戶提供“隨遇接入，安全可信”的服務(wù)。在天地一體化網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，基于空基平臺(tái)的通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)是實(shí)現(xiàn)應(yīng)用落地、國(guó)防通信能力提升的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

空基平臺(tái)包括飛機(jī)、無(wú)人機(jī)和飛艇等在天空中運(yùn)動(dòng)的平臺(tái)?？栈す馔ㄐ啪哂歇?dú)特的優(yōu)勢(shì)，通信建立的機(jī)動(dòng)性更強(qiáng)或者在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的建立中可當(dāng)作轉(zhuǎn)接站。同時(shí)，激光通信相比于微波通信，具有良好的抗電磁干擾特性和高保密性，同時(shí)還可以提供新的較寬的通信頻帶。另外，激光通信還具有通信速率高、通信容量大以及功耗低等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用于空基平臺(tái)。目前，各國(guó)都重視對(duì)空基平臺(tái)激光通信的研究，特別是對(duì)其中機(jī)載激光通信系統(tǒng)的研究。美國(guó)在激光器發(fā)明之初就對(duì)激光通信進(jìn)行研究，在21世紀(jì)初歐洲與日本也進(jìn)行激光通信的研究。

在空基激光通信應(yīng)用的背景下，本文首先概述了空基激光通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，然后闡述了國(guó)內(nèi)外空基激光通信研究進(jìn)展，在此基礎(chǔ)上對(duì)空基激光通信技術(shù)所面臨的問(wèn)題和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析和總結(jié)。

1 空基激光通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和應(yīng)用

空基激光通信技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)覆蓋的數(shù)據(jù)通信鏈路網(wǎng)絡(luò)，并和地面現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)連接，以便及時(shí)反饋和利用空間激光通信傳輸數(shù)據(jù)?？臻g激光通信鏈路技術(shù)從最初的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信朝向激光通信網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展。天地一體化網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖1所示。從圖1中可以看到，空基平臺(tái)激光通信是天地一體化網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中的重要組成部分?？栈す馔ㄐ沛溌芬罁?jù)通信對(duì)象所在位置的不同分成3類：空基平臺(tái)-衛(wèi)星平臺(tái)通信鏈路、空基平臺(tái)-空基平臺(tái)通信鏈路、空基平臺(tái)-地面通信鏈路。圍繞空基平臺(tái)可以展開(kāi)空-空、空-星、空-地、空-船等鏈路通信。

圖1 天地一體化網(wǎng)絡(luò)示意圖及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[2-3]Fig.1 Integrated network of space and earth[2-3]

空基激光通信網(wǎng)絡(luò)在軍用和民用上將有重要應(yīng)用。現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)外軍事網(wǎng)絡(luò)體系中，主要以微波、電纜和光纖作為寬帶寬通信的基本保障，而在偏遠(yuǎn)地區(qū)作戰(zhàn)時(shí)，需要在沒(méi)有地面有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的條件下，提供和光纖通信容量相當(dāng)?shù)臋C(jī)動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸能力，或在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高可靠通信，這時(shí)激光通信技術(shù)就顯現(xiàn)出了無(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)。因此，很多國(guó)家在激光通信的研究中投入大量資金、人力以及技術(shù)支持，期望能夠在現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中占據(jù)先機(jī)，提高信息化戰(zhàn)斗能力，提升國(guó)家的國(guó)際地位。同時(shí)，在近幾場(chǎng)高科技局部戰(zhàn)爭(zhēng)中，無(wú)人機(jī)在偵察、搜索、欺騙、干擾、定點(diǎn)清除等方面的突出表現(xiàn)令全世界對(duì)其潛在的軍事價(jià)值有了更深刻的認(rèn)識(shí)，以無(wú)人機(jī)為節(jié)點(diǎn)的激光通信鏈路已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)?？栈す馔ㄐ旁诿裼梅矫嫱瑯泳哂芯薮蟮臐摿?。在部分大型民航客機(jī)飛行中，乘客依舊不能使用手機(jī)等移動(dòng)通信設(shè)備進(jìn)行通信。原因一是乘客的手機(jī)信號(hào)會(huì)干擾到飛機(jī)與航站樓之間的通信，影響飛機(jī)飛行安全；原因二是機(jī)載的微波通信無(wú)法滿足乘客通信速率的需求。在民航飛機(jī)上裝載激光通信終端可以解決以上兩個(gè)問(wèn)題。

空基激光通信系統(tǒng)由3個(gè)部分組成，分別是空間光收發(fā)單元、光束捕跟單元以及通信信號(hào)處理單元?？臻g光收發(fā)單元負(fù)責(zé)發(fā)射和接收在空間傳輸?shù)男艠?biāo)光及信號(hào)光；光束捕跟單元利用粗精跟蹤控制組件進(jìn)行信標(biāo)光指向、捕獲和跟蹤，以建立穩(wěn)定的激光鏈路；通信信號(hào)處理單元負(fù)責(zé)激光信號(hào)的編解碼、調(diào)制、解調(diào)和儲(chǔ)存。

2 國(guó)內(nèi)外空基激光通信研究試驗(yàn)進(jìn)展

我國(guó)從20世紀(jì)90年代開(kāi)始了激光通信的研究，前期主要研究衛(wèi)星激光通信技術(shù)，近年來(lái)逐漸向空基、地基等方向的激光通信技術(shù)發(fā)展。長(zhǎng)春理工大學(xué)側(cè)重于機(jī)載激光通信，開(kāi)展了多項(xiàng)外場(chǎng)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)間百千米距離的1 Gbit/s激光通信；武漢大學(xué)和中電34所主要研究地面點(diǎn)對(duì)點(diǎn)激光通信，實(shí)現(xiàn)了地面數(shù)千米至數(shù)十千米間的高速激光通信。

美國(guó)一些研究機(jī)構(gòu)在激光器發(fā)明不久之后就針對(duì)激光通信技術(shù)展開(kāi)了各類研究，其中美國(guó)的空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)從20世紀(jì)70年代開(kāi)始就對(duì)激光通信技術(shù)在機(jī)載平臺(tái)上的應(yīng)用開(kāi)展了研究。國(guó)外空基激光通信的主要研究試驗(yàn)情況如表1所示。

表1 國(guó)外一些重要的空基激光通信試驗(yàn)Tab.1 Foreign experiments of air-based laser communication

1980年，美國(guó)AFRL在白沙靶場(chǎng)搭載KC-135飛機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)，第一次成功演示了機(jī)載對(duì)地激光通信系統(tǒng)。通過(guò)脈沖間隔調(diào)制(PIM)，實(shí)現(xiàn)了20 kbit/s信標(biāo)通信，平均誤碼率小于10，20 km距離試驗(yàn)測(cè)量誤碼率在10～10之間。

1984年，美國(guó)軍方資助的HAVELACE項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了相距160 km的兩架KC-135A飛機(jī)之間的激光通信試驗(yàn)，獲得了通信速率為19.2 kbit/s、誤碼率優(yōu)于10的試驗(yàn)結(jié)果。該試驗(yàn)采用手動(dòng)執(zhí)行捕獲，導(dǎo)致兩個(gè)移動(dòng)飛行平臺(tái)之間的初始捕獲異常困難，但是一旦捕獲成功，鏈路便保持穩(wěn)定跟蹤。

1995年，在AFRL支持下，Thermo Trex公司研發(fā)了新一代機(jī)載激光通信系統(tǒng)RILC。在1996年成功進(jìn)行了飛機(jī)對(duì)地面站間20～30 km的激光通信試驗(yàn)，通信傳輸速率1 Gbit/s，突破了空地激光通信關(guān)鍵技術(shù)。

1998年，Thermo Trex公司又實(shí)現(xiàn)了空基平臺(tái)間50～500 km距離、1 Gbit/s激光通信試驗(yàn)，突破了空空平臺(tái)間激光通信關(guān)鍵技術(shù)。然而，由于管理及技術(shù)原因，研發(fā)遇到問(wèn)題而陷入停滯，只是在2004～2005年之間進(jìn)行了部分試驗(yàn)，2005年該項(xiàng)目便終止了。

1998年，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室在也開(kāi)始光通信技術(shù)的研究，其制作的貓眼型調(diào)制反射鏡MRR可以實(shí)現(xiàn)與其制作的雙模光學(xué)詢問(wèn)器(DMOI)進(jìn)行7 km距離、45 Mbit/s的單向通信。2012年開(kāi)始開(kāi)發(fā)微型DMOI模塊安裝在無(wú)人機(jī)上，該模塊可以與地面進(jìn)行25 km、155 Mbit/s的通信，還可以與MRR進(jìn)行1 km、2 Mbit/s的通信。該項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證了單端捕跟控制實(shí)現(xiàn)低速激光通信的可行性。

2003年，AFRL開(kāi)始了一個(gè)全新的項(xiàng)目ESTER。這個(gè)項(xiàng)目的目標(biāo)是盡量利用商用技術(shù)和貨架產(chǎn)品來(lái)研發(fā)機(jī)載激光通信端機(jī)。這個(gè)項(xiàng)目的端機(jī)被稱為FALCON。在2011年完成了飛機(jī)對(duì)飛機(jī)激光鏈路通信試驗(yàn)，通信速率2.5 Gbit/s，通信距離 94～132 km。

2003年，美國(guó)NASA下屬的JPL 實(shí)驗(yàn)室研制的第二代OCD系統(tǒng)進(jìn)行了空對(duì)地激光通信鏈路APT演示驗(yàn)證試驗(yàn)。系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)為：高空無(wú)人機(jī)的飛行高度為18～23 km，跟蹤精度18 μrad，通信速率實(shí)現(xiàn)2.5 Gbit/s，通信波長(zhǎng)1 550 nm。該項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證了無(wú)人機(jī)平臺(tái)下的小型化激光通信終端鏈路能力。

2003年，歐洲也積極研究空基激光通信，歐洲空間局(ESA)開(kāi)展了CAPANINA項(xiàng)目。在2005年的氣球試驗(yàn)中第一次從高度20 km的平流層向遠(yuǎn)處距離64.3 km的地面發(fā)送1.25 Gbit/s的數(shù)據(jù)，誤碼率低于10。該項(xiàng)試驗(yàn)對(duì)球載平臺(tái)在大風(fēng)干擾下的鏈路性能變化進(jìn)行了評(píng)估。

2006年，美國(guó)AOptix公司將自適應(yīng)光學(xué)引入激光通信，開(kāi)展自由空間光學(xué)試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)(FOENEX)項(xiàng)目，目標(biāo)是使用帶有自適應(yīng)光學(xué)(AO)系統(tǒng)的10 cm口徑天線進(jìn)行50 km空-地和200 km空-空激光通信組網(wǎng)試驗(yàn)研究。2009年，完成了安裝在P68式飛機(jī)和LCT-5地面站之前多頻道數(shù)據(jù)2.5 Gbit/s的通信。但在2012年的最終試驗(yàn)中，該系統(tǒng)在空-地和空-空通信中都出現(xiàn)時(shí)斷時(shí)續(xù)的不穩(wěn)定性。該項(xiàng)目證明AO可以提高接收到的通信性能，但在移動(dòng)平臺(tái)上使用AO需要更高的校正帶寬和更高階的像差校正。

2006年，法國(guó)成功地在靜止軌道Artemis衛(wèi)星與飛機(jī)間建立了空-星激光通信鏈路，空基平臺(tái)飛行高度約10 km。利用激光通信，實(shí)現(xiàn)了40 000 km雙向50 Mbit/s的激光通信鏈路。該試驗(yàn)驗(yàn)證了強(qiáng)度調(diào)制/直接探測(cè)在較強(qiáng)大氣湍流條件下工作的可行性。

2008年，德國(guó)航空航天中心(DLR)的ARGOS項(xiàng)目利用了Do-228飛機(jī)與地面站之間的空間激光通信驗(yàn)證試驗(yàn)。通信距離為10～85 km，通信速率為155 Mbit/s。2010年，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)通信距離為10～100 km、通信速率為1.25 Gbit/s的演示驗(yàn)證。激光載荷的安裝位置如圖2所示。

圖2 安裝在Do-228飛機(jī)上的激光通信載荷[17]Fig.2 Laser communication terminal mounted on Do-228[17]

2009年，美國(guó)麻省理工學(xué)院完成的飛機(jī)與地面站之間激光通信試驗(yàn)，飛行高度3 657 m，通信速率2.5 Gbit/s，鏈路距離25 km。

2013年，德國(guó)航空航天中心在DODfast項(xiàng)目的支持下，完成了“狂風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)與地面移動(dòng)站之間的激光通信測(cè)試試驗(yàn)，如圖3所示。其通信速率為1.25 Gbit/s，通信距離大于50 km，飛機(jī)速度大于200 m/s。

圖3 狂風(fēng)戰(zhàn)斗機(jī)搭載激光通信終端[19]Fig.2 Laser communication terminal mounted on Tornado fighter[19]

2016年，F(xiàn)acebook公司擬建設(shè)無(wú)人機(jī)無(wú)線光網(wǎng)絡(luò)，以Aquila無(wú)人機(jī)為空中激光節(jié)點(diǎn)，預(yù)計(jì)建成之后可為全球十多億人提供WiFi服務(wù)。該無(wú)人機(jī)飛行高度18 km，利用太陽(yáng)能充電，滯空時(shí)間長(zhǎng)達(dá)3個(gè)月。

2017年，通用原子公司在空基激光通信系統(tǒng)中演示(ALCOS)項(xiàng)目中的無(wú)人機(jī)激光通信載荷，其安裝在MQ-9 Reaper死神無(wú)人機(jī)上與GEO衛(wèi)星進(jìn)行高速激光通信，采用機(jī)身安裝的方式將無(wú)人機(jī)安裝在飛機(jī)的前部，如圖4所示。在演示試驗(yàn)中，該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了通信速率為1.8 Gbit/s、通信距離達(dá)到上千米的激光通信試驗(yàn)。無(wú)人機(jī)平臺(tái)對(duì)激光通信終端質(zhì)量和功耗要求嚴(yán)苛，且平臺(tái)穩(wěn)定性差，對(duì)實(shí)現(xiàn)數(shù)萬(wàn)千米的空星鏈路，技術(shù)難度極大。

圖4 死神無(wú)人機(jī)激光通信載荷安裝位置Fig.4 Laser communication terminal mounted on the Reaper drone

3 空基激光通信關(guān)鍵技術(shù)分析和未發(fā)展趨勢(shì)

3.1 空基激光通信面臨的問(wèn)題

空基激光通信網(wǎng)絡(luò)是天地一體化建設(shè)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，將目前以地面信息網(wǎng)絡(luò)為主的網(wǎng)絡(luò)邊界，擴(kuò)張到空中領(lǐng)域的全方位覆蓋。切實(shí)完成了“國(guó)家利益到哪里，信息網(wǎng)絡(luò)覆蓋到哪里”的戰(zhàn)略需求。要想實(shí)現(xiàn)空基激光通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)目標(biāo)，主要面臨以下4個(gè)方面的難點(diǎn)。

1)空基平臺(tái)振動(dòng)擾動(dòng)：空基平臺(tái)具有低頻擾動(dòng)和高頻振動(dòng)的特性，這對(duì)激光通信系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)、捕獲、跟蹤(Pointing、Acquisition、Tracking， PAT)都有不同程度的影響?？栈脚_(tái)的振動(dòng)與衛(wèi)星平臺(tái)的振動(dòng)具有一定的相似之處，但也表現(xiàn)出其獨(dú)有特點(diǎn)，相似處體現(xiàn)在振動(dòng)幅度都隨著頻率的增加而快速減小，其特點(diǎn)在于低頻振動(dòng)的振動(dòng)幅度更為劇烈，對(duì)比效果如表2所示，這將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的PAT效果。

表2 振動(dòng)情況對(duì)比Tab.2 Comparison of vibration conditions

2)強(qiáng)天空背景光：由于地表大氣散射的影響，近地表面天空背景光光強(qiáng)遠(yuǎn)超星際通信天空背景光。通常情況下的星載激光通信終端接收到的恒星背景光功率為10～10W，而空基激光通信終端接收到的天空背景光強(qiáng)度受到天頂角、觀測(cè)方向、觀測(cè)時(shí)間以及大氣光學(xué)厚度的影響，背景光功率比星載終端高2～3個(gè)量級(jí)。這樣強(qiáng)的天空背景光將嚴(yán)重影響信標(biāo)接收和通信接收單元的性能，使得接收信噪比很低，增加通信誤碼率并且降低了捕獲概率。所以在終端設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮濾除天空背景光的相關(guān)設(shè)計(jì)。

3)高動(dòng)態(tài)特性：首先空基激光鏈路相比于星地激光鏈路通信距離較短，相對(duì)運(yùn)動(dòng)角速度較大，使得動(dòng)態(tài)跟蹤難度增加，跟蹤精度降低。本文應(yīng)用STK進(jìn)行數(shù)據(jù)仿真，得到的數(shù)據(jù)如圖5所示。圖5(a)為地面站與空載平臺(tái)在跟蹤狀態(tài)下的方位俯仰軸跟蹤速度和通信距離數(shù)據(jù)，空載平臺(tái)選擇速度為700 km/h的民航飛機(jī)，飛行高度為10 km。圖5(b)為地面站與衛(wèi)星平臺(tái)在跟蹤狀態(tài)下的方位俯仰軸跟蹤速度和通信距離數(shù)據(jù)，衛(wèi)星平臺(tái)選擇低軌衛(wèi)星，軌道高度為1 200 km。通過(guò)數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，空載平臺(tái)下的動(dòng)態(tài)跟蹤速率是衛(wèi)星平臺(tái)下的2倍以上，因此需要優(yōu)化跟蹤策略，提高系統(tǒng)的跟蹤能力。

(a)空載平臺(tái)跟蹤角速度和距離

(b)衛(wèi)星平臺(tái)跟蹤角速度和距離圖5 兩種平臺(tái)跟蹤角速度和距離分析Fig.5 Analysis of tracking angular velocity and distance of two platforms

4)大氣影響：無(wú)論是空-地、空-空還是空-星通信鏈路，大氣信道特性都是激光鏈路通信中需要面臨的重要難題。不同的大氣條件對(duì)激光具有不同程度的吸收和散射效果，使接收光斑產(chǎn)生嚴(yán)重的畸變，如圖6所示，嚴(yán)重情況下造成系統(tǒng)的跟蹤精度下降。接收端光功率也會(huì)受到不同程度的嚴(yán)重衰減，同時(shí)會(huì)引起接收光功率波動(dòng)，嚴(yán)重影響通信效果，使通信誤碼率增加。激光通信解調(diào)器接收到的信號(hào)光強(qiáng)度浮動(dòng)較大，需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整接收機(jī)的光強(qiáng)探測(cè)范圍，才能正確解調(diào)出激光攜帶的信息數(shù)據(jù)。

(a)未經(jīng)過(guò)大氣傳輸?shù)慕邮展獍?/p>

(b)經(jīng)過(guò)大氣傳輸?shù)慕邮展獍邎D6 大氣傳輸對(duì)接收光斑的影響Fig.6 Effects of atmosphere transmission on receiving spots

3.2 空基激光通信關(guān)鍵技術(shù)

隨著無(wú)線激光通信技術(shù)的發(fā)展，部分難點(diǎn)已找到相應(yīng)的解決方案，促使空基激光通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)日益完善，其關(guān)鍵技術(shù)總結(jié)如下所述。

1)高精度主被動(dòng)視軸穩(wěn)定技術(shù)：對(duì)于空基激光通信系統(tǒng)，由于空基平臺(tái)不穩(wěn)定會(huì)造成開(kāi)環(huán)指向角度的劇烈變化，通過(guò)配備角速率陀螺儀和捷聯(lián)導(dǎo)航設(shè)備的方式快速測(cè)量姿態(tài)角數(shù)據(jù)，并利用卡爾曼濾波算法預(yù)推測(cè)姿態(tài)角，實(shí)時(shí)調(diào)整激光通信終端的瞄準(zhǔn)指向，保證主被動(dòng)視軸的相對(duì)穩(wěn)定。該方法具有計(jì)算量小、迭代速度快、開(kāi)發(fā)成本低的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還有較好的抗振能力。為了優(yōu)化控制器的動(dòng)態(tài)模型，提高控制器對(duì)干擾和不確定項(xiàng)的魯棒性，應(yīng)用滑模變結(jié)構(gòu)控制實(shí)現(xiàn)激光通信終端對(duì)空基平臺(tái)姿態(tài)變化參考軌跡的跟蹤，為快速開(kāi)環(huán)捕獲和高精度動(dòng)態(tài)跟蹤奠定了基礎(chǔ)。

2)PAT技術(shù)：空基平臺(tái)具有運(yùn)動(dòng)速度快、飛行路徑不確定的特點(diǎn)，會(huì)不同程度地增加瞄準(zhǔn)、捕獲、跟蹤難度。同時(shí)，激光的波束非常窄，對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)來(lái)說(shuō)，想要直接對(duì)準(zhǔn)并保持穩(wěn)定跟蹤相當(dāng)困難。應(yīng)用粗精復(fù)合軸控制技術(shù)，將低頻的大偏轉(zhuǎn)量交給粗瞄準(zhǔn)機(jī)構(gòu)(軸系電機(jī))進(jìn)行補(bǔ)償，把高頻的小偏轉(zhuǎn)量交給精瞄準(zhǔn)機(jī)構(gòu)(壓電陶瓷偏轉(zhuǎn)鏡)進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，可有效提高PAT的效果。

3)大氣信道補(bǔ)償技術(shù)：大氣對(duì)空基激光通信鏈路會(huì)產(chǎn)生一定的干擾，主要體現(xiàn)在激光在大氣中傳輸時(shí)受到的大氣衰減、大氣湍流效應(yīng)，這是高數(shù)據(jù)率通信不可忽略的影響因素。由于大氣衰減造成的光功率損耗無(wú)法避免，但可應(yīng)用大功率發(fā)射及高靈敏度接收技術(shù)來(lái)彌補(bǔ)。應(yīng)用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)可以有效補(bǔ)償由于大氣湍流造成的光束強(qiáng)度起伏、相位起伏、光束擴(kuò)展、光束漂移、像點(diǎn)抖動(dòng)等現(xiàn)象。該項(xiàng)技術(shù)可以有效補(bǔ)償大氣的各類影響，為空基激光通信信道傳輸提供了技術(shù)支持。

4)光學(xué)基臺(tái)小型化設(shè)計(jì)：空基平臺(tái)的載質(zhì)和功率都有限，特別是針對(duì)無(wú)人機(jī)平臺(tái)，更需要加小型的終端以滿足平臺(tái)對(duì)質(zhì)量和功率的限制。目前，國(guó)內(nèi)外報(bào)道的無(wú)人機(jī)激光通信載荷質(zhì)量已經(jīng)降低到10 kg以下，其主要技術(shù)途徑是對(duì)終端進(jìn)行靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)分析，采用疊層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)緊湊的空間布局，選擇輕型、抗機(jī)械形變的材料，并運(yùn)用新型晶體結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)的軸系結(jié)構(gòu)完成粗瞄準(zhǔn)過(guò)程，大大減少了結(jié)構(gòu)的體積和質(zhì)量。

3.3 空基激光通信的發(fā)展趨勢(shì)

隨著空基激光通信技術(shù)的飛速發(fā)展，通信速率越來(lái)越快，如圖7所示。通信速度已經(jīng)從最初的20 kbit/s發(fā)展到了現(xiàn)在的2.5 Gbit/s，未來(lái)還要向太比特每秒的速度發(fā)展，將在高速通信領(lǐng)域逐步發(fā)揮出激光通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

圖7 國(guó)內(nèi)外歷年空基激光通信試驗(yàn)傳輸速率Fig.7 Transmission rate of air-based laser communication

空基激光通信可將偵察到的海量原始數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)向中繼衛(wèi)星或地面站傳輸，如有戰(zhàn)爭(zhēng)或者局部沖突爆發(fā)可以快速布局，進(jìn)行全方位立體偵察，搜集敵方作戰(zhàn)相關(guān)信息，打擊敵方部隊(duì)。同時(shí)，也可以在敵方強(qiáng)磁干擾下快速建立通信，保證遠(yuǎn)程指揮和情報(bào)的實(shí)時(shí)傳輸，防止敵方破壞干擾和竊聽(tīng)，具有較大的實(shí)戰(zhàn)意義。

空基激光通信的發(fā)展趨勢(shì)總結(jié)如下：

1)在終端研制技術(shù)方面，重點(diǎn)向小型化、輕量化和低成本方向發(fā)展，同時(shí)需要提前布局終端的批量化生產(chǎn)能力；

2)在鏈路系統(tǒng)技術(shù)方面，重點(diǎn)發(fā)展AI技術(shù)和多源信息融合技術(shù)，以提升空基激光鏈路和網(wǎng)絡(luò)的可用度和穩(wěn)定性；

3)在應(yīng)用領(lǐng)域方面，將從空-空、空-地、空-星鏈路發(fā)展至天地一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用，在完成高速數(shù)據(jù)傳輸基礎(chǔ)上，逐步向網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中繼方面發(fā)展，將成為今后空天網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的重要組成單元。

在未來(lái)的空中骨干網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，可在空基平臺(tái)上采用激光通信和射頻通信互補(bǔ)，與衛(wèi)星平臺(tái)、地面站共同組成天地一體化網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)在軍事上，應(yīng)用于無(wú)人機(jī)、臨近空間飛行器、預(yù)警機(jī)與地面或者其他指揮節(jié)點(diǎn)大數(shù)據(jù)傳輸，快速部署空基通信單元等。在民用上，可以滿足大型客機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信需求，實(shí)現(xiàn)航行過(guò)程中無(wú)間斷網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。同時(shí)，飛艇、系留氣球等空基平臺(tái)也可以作為星地激光通信的中繼節(jié)點(diǎn)。

4 結(jié)論

本文通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外空基激光通信技術(shù)的發(fā)展情況，總結(jié)出該項(xiàng)技術(shù)面臨的各類問(wèn)題以及關(guān)鍵技術(shù)，并預(yù)計(jì)了其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。空基激光通信可解決現(xiàn)有微波通信數(shù)據(jù)率低、抗干擾能力差、保密性低和頻段使用受限等瓶頸問(wèn)題，是今后空基平臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾l(fā)展方向。與衛(wèi)星激光通信技術(shù)相比，空基激光通信的平臺(tái)動(dòng)力學(xué)環(huán)境、溫度環(huán)境等更為惡劣，對(duì)技術(shù)發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)，同時(shí)也給我國(guó)科研人員提供了多類技術(shù)發(fā)展方向。相信在不久的未來(lái)，空基激光通信將會(huì)逐漸從試驗(yàn)走向工程應(yīng)用，將在信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮重要作用。