在現在信息量高速增長的情況下，人們對通信系統容量的要求也在高速增長， 而當前無線通信受到帶寬和容量限制，已經不能滿足當前需要， 對圖像信息的實時傳遞更是無能為力。隨著激光的產生，光波通信技術日益表現出適應這種通信需求的勢頭。衛星激光通信是一個較新的研究領域，美國歐洲、日本等國都對此極其關注，并已進行了深入的研究，這主要是因為用激光進行衛星間通信具有如下優點：開辟了全新的通信頻道使調制帶寬可以顯著增加、能把光功率集中在非常窄的光束中、器件的尺寸、重量、功耗都明顯降低、各通信鏈路間的電磁干擾小、保密性強并且顯著減少地面基站，最少可只有一個地面站。

　　衛星激光通信包括深空、同步軌道、低軌道、中軌道衛星間的光通信， 有GEO （geosynchronous earth orbit， GEO）- GEO，GEO- LEO （ low- earth orbit， LEO）， LEO - LEO， LEO- 地面等多種形式，同時還包括衛星與地面站之間的通信。隨著元器件發展，衛星光通信技術已基本成熟，并逐漸向商業化方向發展，美國、歐洲、日本等國家都制定了多項有關衛星激光通信的研究計劃， 對衛星激光通信系統所涉及到的各項關鍵技術展開了全面深入的研究， 在最近幾年衛星激光通信就將進入實用化階段。特別是一旦實現小衛星星座之間的激光星間鏈路及其系統成熟， 必將更加促進其商業化發展。可以預言，衛星激光通信必將成為未來超大容量衛星通信的最主要的途徑。

　　系統及其關鍵技術

　　1、系統基本組成

　　為了實現空間光傳輸與ATP（acquisition tracking pointing）技術， 通常需要信號光與信標光。一般的衛星間光通信系統由以下4 部分組成， 其主要部件如圖1 所示。

　　（1）光天線伺服平臺

　　包括天線平臺及伺服機構， 由計算機控制。在捕獲階段完成捕獲掃描， 系統處于按預設指令工作狀態， 將光束導引到粗定位接收視場， 從而完成光束捕獲。在跟蹤、定位階段，根據跟蹤探測器獲得的誤差信號， 經處理后送到伺服執行機構， 構成一個負反饋閉環系統， 完成精定位。對于運動載體上的光通信系統， 為了減小各種擾動誤差影響， 還需要增加陀螺控制回路。

　　（2）誤差檢測器

　　包括光天線及光電探測器。光電探測器一般由捕獲探測器和定位探測器兩部分組成。捕獲探測器完成捕獲與粗跟蹤， 并將接收到的光信號引導到定位探測器上， 進行精定位，最后調整收發端， 使光束對準。

　　（3）控制計算機

　　控制計算機包括中心控制處理器與輸入、輸出接口設備。控制計算機可以接收衛星控制指令， 控制天線伺服平臺粗對準光鏈路的連接方向。捕獲階段可以由預定的程序控制光束掃描和捕獲。在跟蹤階段， 計算機對誤差信號進行計算，并實時地輸出信號控制天線伺服平臺的粗、精跟蹤， 完成光束的對準。

　　（4）光學平臺

　　收發端機的功能是探測對方發來的信標光， 確定信標光方位， 給出誤差信號使ATP 系統校正接收天線的方位， 完成雙方光天線的粗對準。在天線已粗對準的情況下， 探測雙方發來的信號光， 并利用信號光在4 象限探測器上的坐標， 提供方位誤差信號給ATP 單元完成雙方天線的精對準和跟蹤任務。探測對方發來的信號光， 通過放大、解調等電處理， 完成通信任務。

　　衛星激光通信系統是在自由空間中利用激光作為信息傳輸的載體。光束傳播過程中發散角很小， 所以光束的對準是十分困難， 尤其是作為運動衛星間的光通信， 完成收發光束的捕獲、跟蹤、瞄準就成為自由空間激光通信最關鍵的技術。以上所談系統只是理論分析， 對實際應用國內還有一段很長的路要走。

　　2、關鍵技術

　　在衛星激光通信系統中要實現信號的發送接收， 以及光束的精對準， 通常都需要信標光與信號光來共同完成。信號在星間傳輸系統中有以下關鍵技術。

　　（1）光信號的發射與接收

　　1）高功率光源及高碼率調制技術

　　在激光通信系統中大多可以采用半導體激光器或半導體泵浦的YAG 固體激光器作為信標光和信號光的光源， 工作波長為0.8- 1.5 pm 近紅外波段。通常信標光的調制頻率為幾十赫茲至幾千赫茲或幾千赫茲至幾十千赫茲， 以便克服背景光的干擾。

　　2）高靈敏度抗干擾的光接收技術

　　在空間光通信系統中， 接收的光信號通常都很微弱。此外， 在高背景噪聲場（如太陽光、月光、星光等）的干擾情況下，又加大了光信號接收的難度。快速、精確捕獲目標和接收目標信號就是光、機、電結合的精密綜合技術， 也是空間激光通信的核心技術之一。一般采用兩種方法削弱這種影響。

　　① 提高接收端機的靈敏度， 最好達到nW—pW量級。

　　② 對所接收的信號進行統計處理， 在光信道上采用光窄帶濾波器（ 干涉濾光片或原子濾光器， 但由于通光頻帶較窄，對存在多普勒效應的光波濾光效果存在很大的缺陷） 以抑制背景雜散光的干擾， 在電信道上采用微弱信號檢測與處理技術。

　　3）精密、可靠、高增益的收發天線

　　為完成系統的雙向互逆跟蹤， 光通信系統均采用收、發合一的天線。由于半導體激光器光束質量一般比較差， 要求天線增益要高， 另外， 為適應空間系統， 天線（包括主副鏡、合束、分束濾光片等光學元件）總體結構要緊湊、輕巧、穩定可靠。

　　（2）光束的捕獲、對準、與跟蹤

　　1）捕獲、對準過程：分別以A， B 表示需建立光鏈路的兩個終端

　　① A 端機發出信標光， 然后在不確定視場范圍內進行掃描。B 端在A 端掃描的同時采取跳步掃描的方式進行掃描，另一幀B 端跳一步， 凝視于另一角度。如果不確定視場不大，而B 端的接收視場等于或大于不確定視場時， 則B 端不必進行掃描， 只處于凝視等待狀態。A 端信標光的光束在掃描過程中必然會落在B 端的接收視場內， 即B 端必然會接收到A 端的信標光。

　　② 當B 端接收到A 端的信標光后， B 端探測器輸出的位置誤差信號， 經處理后送給萬向支架控制器， 驅動萬向支架轉動， 從而對準A 端。A 端收到B 端的信標光， 達到一定門限后， 掃描停止。A 端探測器（CCD）功輸出位置誤差信號， 經處理后送給萬向支架控制器， 驅動萬向支架轉動， 進一步對準B端。

　　③ A 端和B 端進一步調整， 從而達到捕獲、對準的目的。

　　光速的捕捉、對準與跟蹤過程示意圖如圖2 所示：

　　2）目標跟蹤

　　跟蹤、瞄準系統是進行精跟蹤， 其功能是在完成了目標捕獲后，對目標進行瞄準和實時跟蹤。通常采用4 象限紅外探測儀QD 或Q- APD 高靈敏度位置傳感器來實現，并有相應電子伺服控制系統。

　 ? 國內外發展狀況

　　1、衛星激光通信發展回顧

　　（1）美國

　　美國開展空間光通信方面的研究最早， 于60 年代中期就開始實施空間光通信方面的研究計劃。美國國家航空和宇航局（NASA）的噴氣推進實驗室（JPL）早在70 年代就一直進行衛星激光通信的研究工作，其它如林肯、貝爾等著名實驗室也都開展了空間激光鏈路的研究。近幾年來，空間激光鏈路研究已成為美國的研究熱點，這將有助于改變近些年美國在這一領域的研究落于歐洲甚至日本之后的局面。

　　（2）日本

　　日本是光通信技術發展很迅速的國家， 日本與80 年代中期開始空間光通信研究，主要有郵政省的通信研究室（CRL）、宇宙開發事業團（NASDA）和高級長途通信研究所（ATR）的光學及無線電通信研究室進行這方面的工作。ETS- VI 和OICETS 計劃， 是由他們提出的計劃，這是兩個十分引人注目的空間光通信研究計劃。ETS- VI 計劃旨在進行星地之間的空間光通信實驗， 且已于1995 年7 月成功地在日本的工程試驗衛星ETS- VI 與地面站之間進行了星地鏈路的光通信實驗，這是世界上首次成功進行的空間光通信實驗。此舉使日本一躍而居空間光通信研究領域之首位。日本和歐空局還將利用各自研制的、裝于各自衛星上的空間光通信終端， 合作進行空間光通信系統的空間實驗， 這進一步顯示出空間領域逐步走向國際合作化的趨勢。

　　（3）歐盟

　　歐洲空間局（ESA）于1977 年夏就開展了高數據率空間激光鏈路研究，至今歐空局在空間光通信方面已經進行了二十多年的研究工作。ESA 先后在空間光通信研究方面制定了一系列計劃，有步驟地開展對空間光通信各項技術的研究，現已在該領域的一些關鍵技術方面處于明顯的領先地位。

　　（4）國內情況

　　不論是美國、歐洲、還是日本對衛星光通信的研究都已經進入了空間實驗階段，而且很快就要發展到實用階段。我國衛星光通信研究與美、歐、日相比起步較晚， 目前國內只有少數幾個單位（ 比如電子科技大學， 哈爾濱工業大學等， 武漢大學近年來也參與了衛星激光通信方面的研究，并取得了較大成果。） 進行衛星光通信方面的研究工作， 這些工作涉及到衛星光通信的基礎技術及基本元器件的研究，以及關鍵技術的研究但離空間實驗階段還有相當一段距離。雖然我國在這方面的研究與國外的距離較大，但從現有國內器件及技術水平看，衛星光通信所需的技術基礎已經具備， 這與國外開展衛星光通信研究的初期情況不同， 當時衛星光通信所需的主要元器件均不成熟，因此， 國外衛星光通信方面的研究工作初期走了不少彎路。現在衛星光通信所需元器件已經比較成熟，我國的衛星光通信研究只要加大投資力度，一定會很快在關鍵技術方面得到突破，我國衛星光通信研究從開始到進行星上搭載實驗的時間也會大大短于國外所花費的時間。

　　2、衛星激光通信展望

　　近年來的商業需求和信息高速公路的發展， 對衛星間激光鏈路技術要求更加迫切， 這些已經作為美國、歐洲日本等國發展該方面技術的動力， 并正向商業應用轉化。現在空間光通信系統發展的趨勢主要是：

　　（1） 空間光通信系統的應用正在向低軌道小衛星星座星間激光鏈路發展；

　　（2）激光星間鏈路用戶終端向小型化、一體化方向發展；

　　（3）低軌道小衛星星座激光鏈路正進入商業化、實用化發展階段。在空間光通信研究的前期， 主要是以中繼星為應用背景。然而，隨著小衛星星座的迅猛發展，國外對第二代中繼星的興趣已經下降，對小衛星星座的興趣大大增加。空間光通信研究工作，已經開始逐漸從以中繼星為主要背景轉到以小衛星星座為應用背景上。可以預見研究重點將會逐漸轉移到小衛星星座星間激光鏈路的研究上。基于此點， 對小衛星星座星間激光鏈路的研究工作將在空間光通信的研究中占有重要地位。

　　總結

　　對衛星激光通信關鍵技術（ 如信號收發、空間目標捕獲、對準、跟蹤） 的研究在美、歐、日等國已開展了近20 年， 但是前些年由于受到元器件技術的限制發展較慢。在上世紀， 進入90年代， 隨著元器件技術的成熟和發展而進入商業化發展階段。特別是小衛星星座的迅猛發展， 使得對小衛星星座的星間光通信更加重視。 利用小衛星星間激光通信實現全球個人移動通信， 已不是遙遠的事情了。

　　我國自20 世紀70 年代開始激光通信的研究， 取得了較滿意的結果。國內若干科研機構開展了大氣激光通信方面的學術和實驗研究。我國雖然在此方面的研究工作開展較晚，但由于衛星光通信的元器件及技術已成熟， 同時又有國外經驗借鑒， 如抓緊機會， 定會在較短時間內趕上世界發達國家研究水平。因此， 我國應該盡快投入人力物力， 全面開展衛星光通信的研究工作。只有這樣， 我國才能在將來的全球衛星商業通信中處于領先地位。