激光通信lcrd计划介绍

前言：2023年6月28日，美国国家航空航天局NASA宣布其首个双向激光中继系统完成了第一年的在轨实验，NASA相关负责人认为该技术可能成为从太空发送和接收数据的未来技术手段。

计划背景

长期以来，空间天文台与地球之间的通信链路一直是关键的任务系统驱动因素。科学或探索发现的信息必须传回地球;传回的数据越多，该任务产生更有价值的科学成果的可能性就越大。随着时间的推移，一些技术如更高的数据带宽射频通信和无损数据压缩，已经提高了能力，但无法跟上当今可以在太空中飞行的先进仪器的需求。

光通信（或激光通信）是一项革命性的技术，可以使NASA能够在未来承担更复杂的任务，这些任务需要更快的数据传输速率，同时减少航天器的质量、尺寸和功率负担。对于相同的数据速率（例如1Gbps的输出），光通信系统将比可比较的射频系统需要更少的质量、功率和体积。

除了可能节省质量、重量和功率之外，更高的数据带宽将使具有当前数据量的任务能够在需要更少通信活动时间的情况下运行。通信时间的节省将减少航天器和支持通信网络基础设施的操作限制。

LCRD计划介绍

激光通信中继演示项目（LCRD）是由美国宇航局戈达德太空飞行中心（GSFC）、喷气推进实验室、加州理工学院（JPL）和麻省理工学院林肯实验室（MIT/LL）进行的联合项目。

2011年，LCRD计划选定开发，原计划于2019年在商业卫星上发射。

2018年5月，美国审计总署（GAO）表示，虽然出现了延误、资金削减和成本超支的情况，但它应该可以在2019年11月之前准备好发射。

到2020年4月，项目继续延误和成本超支问题，迟迟无法发射，直到2021年12月7日，LCRD作为美国空军太空测试计划卫星（STPSat6，STP-3发射的一部分）的有效载荷由Atlas V火箭发射升空，预定轨道略高于地球静止轨道。

LCRD使用红外光或不可见激光来传输和接收信号，而不是航天器上传统使用的无线电波系统。

LCRD的主要任务是在运行环境中提供两年的连续高数据速率光通信，演示光通信如何满足NASA对更高数据速率的不断增长的需求。此外，LCRD的架构将允许它作为空间中的测试平台，用于开发额外的符号编码、链路和网络层协议等。

LCRD的有效负载包括：两个光通信模块、两个光模块控制器、两个差分相移键控调制解调器、两个脉冲位置调制（PPM）解调器。

LCRD有效负载包括一个星跟踪器和两个光学模块（左），它们产生红外激光，将数据传输到地球或从地球传输数据

LCRD惯性稳定光学模块

每个光学模块都配备一个4英寸的反射望远镜，产生约15微度的下行光束。它还容纳了一个空间采集探测器，这是一个简单的象限探测器，视野约为2微弧度。它既用于检测扫描的上行信号，也用作信号初始拉入的跟踪传感器。望远镜通过一个磁流体动力惯性参考单元（MIRU）安装到一个两轴框架上。MIRU中的角速率传感器检测角扰动，然后使用音圈执行器进行望远镜的惯性稳定。光纤将光模块耦合到调制解调器上，调制解调器对传输的光波形进行处理。每个光模块及其对应的调制解调器的控制由控制器提供。在发射过程中，每个光模块都用盖子和一次性发射锁存器保持和保护。

LCRD飞行调制解调器

光子计数和脉冲位置调制（PPM）已被确定为深空任务的首选技术，而差分相移键控（DPSK）是目前近地任务的首选技术。LCRD将演示这两种技术。

光子计数PPM具有很高的光子效率，尽管由于探测器的限制和对更快电子设备的要求，最终数据速率受到限制。LCRD利用为NASA月球激光通信演示（LLCD）开发的PPM调制解调器作为提供PPM信号的成本效益方法。LLCD调制解调器支持39～622mbits/s的可变下行速率和10～20mbps的可变上行速率。

PPM飞行发射机用1/2速率连续连接PPM（SC-PPM）涡轮码对数据进行编码。编码的数据流是卷积交错的（以减轻大气衰落的影响），并使用16-ary PPM调制方案进行调制（信号被放置在每16个时间槽中的一个）。使用5GHz槽时钟速率实现最大数据速率;通过组合连续的插槽来实现较低的数据速率，有效地降低了时钟速率，最小插槽速率为311MHz。光调制是由一个主振荡器功率放大器（MOPA）结构完成的，用Mach-Zehnder调制器调制1550nm的连续波（CW）激光，并用两级掺铒光纤放大器（EDFA）将其放大到平均功率为0.5W。

PPM飞行接收机是一种光学预放大直接探测接收机。经过放大和滤波后，信号被光分割以执行空间跟踪、时钟恢复和通信。上行通信信令是4-ary PPM，用一个简单的双比较解调器执行二进制硬决策。所接收的上行链路数据流被去交错和解码（在上行链路上应用速率-½SC-PPM编码）。

LCRD还将支持差分相移键控（DPSK），DPSK具有卓越的噪声容忍度，可以在极高的数据速率下使用，并且在太阳处于视野中时支持通信。LCRD利用MIT/LL先前设计的DPSK调制解调器作为提供DPSK信号的经济有效方法。它可以以72Mbps到2.88Gbps的（非编码）速率传输和接收数据。在未来的中继场景中，它可以被更高速率的DPSK调制解调器取代，该调制解调器将支持超过10Gbps的数据速率。

DPSK调制解调器在上行和下行方向上使用相同的信令。DPSK发射机以2.88GHz时钟速率产生一系列脉冲。在连续脉冲之间的相位差中编码一个比特。由于解调是由Mach-Zehnder干涉仪完成的，时钟速率保持固定。DPSK发射机采用了类似于PPM发射机的MOPA架构。

EDFA将光信号放大到平均功率为0.5W。低于最大值的数据速率是通过“突发模式”操作来实现的，在这种模式下，发射机只在一小部分时间内发送脉冲，其余时间不发送光功率。由于EDFA受平均功率限制，使得脉冲期间的峰值功率增加。

DPSK接收器具有一个光学前置放大器级和一个光学滤波器，在这一点上，光在时钟恢复单元和通信接收器之间被分割。接收器使用延迟线干涉仪，然后是平衡的光电探测器来比较连续脉冲的相位，对每个通道位做出艰难的决定。

虽然编码和交错将应用于地面终端以减轻噪声和大气衰落，但DPSK飞行接收机既不解码也不去交错。调制解调器转而支持中继架构，其中上行和下行链路错误在位于目标地面站的解码器中一起纠正。

光学终端的高速电子设备连接

作为光中继演示，LCRD将在两个地面站之间建立中继连接。LCRD的一个重要目标是在地球同步轨道航天器上演示先进的中继操作。LCRD将通过连接两个光学终端的高速电子设备（HSE）实现各种各样的继电器操作。除了实时中继操作外，电子设备还允许一条链路使用DPSK信号，另一条链路使用PPM信号。通过大气进行光通信的一个已知挑战是易受云层覆盖的影响。HSE将包括大量的数据存储，以便在上行链路可用但下行链路不可用的情况下演示存储和转发中继服务。HSE将支持延迟容忍网络（DTN）协议。为了支持DPSK光链路上的DTN，HSE将实现任何所需的解码和去交错，以便有效载荷能够处理和路由数据（速率低于最大DPSK吞吐量）。链接操作将是可配置的，以支持各种场景。

地面站

LCRD地面部分由LCRD任务操作中心（LMOC）和两个地面站组成。LMOC将执行LCRD有效载荷和地面站的所有调度、指挥和控制。

当与地球同步轨道航天器上的两个光通信终端之一通信时，每个地球地面站必须提供三个功能：接收来自地球同步轨道空间终端的通信信号，向地球同步轨道空间终端发送信号，并发送上行信标波束，以便地球同步轨道空间终端指向地球上的正确位置。

地球上的接收器必须提供一个足够大的收集器，以捕获足够的功率来支持数据速率;将这种光耦合到低噪声、高效的探测器上，同时尽量减少耦合背景光;并对所接收的波形进行同步、解调和解码。

目前LCRD有两个地面站：位于南加州圣盖博山脉的光学地面站（OGS）-1和夏威夷哈雷阿卡拉光学地面站（OGS）-2。

结尾

下一步，LCRD的首批运营用户之一将是集成LCRD低地球轨道用户调制解调器和放大器终端（ILLUMA-T）的国际空间站。该终端将从空间站上的实验和仪器接收高分辨率科学数据，然后将这些数据传输到LCRD，LCRD再将其传输到地面站。数据到达地球后，将被传送给任务运营中心和任务科学家。

编辑：黄飞