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[摘 要]激光天基信息传输系统是未来实现星星、星地高速率实时信息传输的有效手段，激光通信光学地面终端是激光天基信息传输系统的重要组成部分，是解决海量信息与地面传输的最后一环，同时还可以作为星载通信终端的地检设备。本文首先详细介绍欧空局、美国和日本激光天基信息传输系统、星地通信发展历程、研究计划及激光通信光学地面终端的研究现状，重点分析光学地面终端的系统组成和关键技术。
[关键词]相干光通信、光学地面终端、天基信息传输系统
中图分类号：V556.8 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）33-0146-02
一、引言
天基信息传输系统是为中、低轨道的航天器之间，航天器与地面站之间提供天基测控与数据中继服务的系统。可以通过天基信息传输系统将遥感、遥测信息实时传回地面，不再需要通过全球布站的方式来实时监控和获取中、低轨航天器数据，这从根本上解决了中、低轨卫星实时通信的高覆盖率问题。因此，天基信息传输系统是实现全球侦察监视并为战略预警提供实时信息传送的重要手段，对一个国家或区域的战略独立性至关重要。
传统的天基信息传输系统采用微波传输体制（S、Ku、Ka频段等），由于受到载波频率的限制，传输速率达到每秒千兆比特以上比较困难。激光通信具有高速率、高保密性、低功耗等优点，以窄线宽激光光源作为载体的相干光通信技术可以实现接近量子极限的灵敏度，是实现高速率实时信息传输的有效手段。
光学地面终端是激光天基信息传输系统的重要组成部分，是实现星地大容量数据稳定可靠传输重要要的一环，并且兼具卫星激光通信终端地检的功能。
二、激光天基信息传输系统及光学地面站的发展
下面我们将介绍欧洲和美国激光天基信息传输系统研究现状，并阐述光学地面终端在激光天基信息传输系统发展中发挥的重要作用。
2.1 欧洲
欧洲激光天基信息传输系统的研究水平在世界上处于领先地位，早在20世纪80年代，欧空局启动了半导体激光星间链路实验，经过数十年的发展，激光天基信息传输系统即将步入实用化阶段。
2001年，欧空局的数据中继卫星ARTEMIS（GEO）与法国的地球观测卫星SPOT-4（LEO）完成了速率为50Mbps的通信试验。
2008年，欧空局启动了“欧洲数据天基信息传输系统”（EDRS）项目，该项目沿用TerraSAR-X激光终端的相干通信体制，使得通信距离在45000km的条件下，通信速率可以达到1.8Gbps。作为EDRS项目的前身，欧空局将该终端安装在最新的地球静止轨道通信卫星Alphasat上[5]，2013年11月，Alphasat完成首次数据中继试验，该卫星从低轨卫星群中收集数据，并转发到西班牙加那利群岛的泰德光学地面站，在超过36000km的距离上，星地终端可以实现精确对准，通信速率可达1.8Gbps。
光学地面站是星地激光通信的地面终端，并且兼具星上激光通信终端的地检功能。1998年，欧空局投资在西班牙加纳利群岛的泰德天文台建设了一个光学地面站，该地面站海拔高度为2393米，望远镜为里奇-克雷蒂安类型，口径为1.016米，焦距为13.3米。该地面站还与相距142公里的拉帕尔马岛上的激光通信终端配合，用于开展星间相干光通信或量子通信试验的地面验证试验。
2.2 美国
美国同样在大力开展激光链路中继卫星的研究计划，。早在1995年，美国开始了STRV-2光通信终端的研制，计划用于卫星与地面站间高速激光链路的空间演示实验。2000年，STRV-2随LEO卫星TSX-5成功发射升空并进入预定轨道。
2013年，美国NASA哥达德太空飞行中心与麻省理工大学林肯实验室合作开展了月球激光通信验证项目（LLCD），该项目是一个短期实验项目，并与2013年发射了月球大气和尘埃环境探测器（LADEE），目前，LLCD已经在地月距离上实现了高速双向激光通信。LADEE卫星主要地面接收站位于大部分时间无云的墨西哥沙漠中的白沙测试场，还有两个可替代的备用接收站分别是美国喷气推进实验室位于加州桌山的光学地面站，该地面站只负责接收信号；另外一个地面站是位于西班牙加那利群岛的泰德光学地面站，该光学地面站具备与LLCD设备之间的双向通讯能力。
三、光学地面终端的系统组成
激光通信光学地面接收系统主要包括：光学分系统、ATP分系统、接收分系统、主控分系统、时频分系统、测试标校分系统及运控管理，供电等部分。
光学分系统主要由信标光接收与发射系统、信号光接收与发射系统、波前修正分系统、光学接收光学系统等部分组成，用于信号光与信标光光束的传输与变换。
ATP分系统主要由粗跟踪伺服机架和快速跟踪反射镜共同构成的复合轴跟瞄系统，由主望远镜、粗跟踪单元、精跟踪单元及中央控制器等部分组成，用于对卫星的高精度指向跟踪、确保通信稳定。
主控分系统主要包括各种系统控制与接口电路，主要完成卫星轨道引导跟踪控制及各分系统的管理协调、监控、记录及信息处理等功能。
此外，激光通信光学地面接收系统还包括接收分系统、地面时频分系统、测试标校分系统及运控分系统。
四、光学地面站的关键技术
4.1 高灵敏度光学接收技术
4.1.1零差相干接收技术
如图四所示，相干探测单元主要包含高增益光学混频技术、高灵敏度平衡探测器技术、低相位噪声光学锁相环技术。其中，高增益光学混频技术是相干接收分系统的光学核心器件，主要完成本振光与信号光的耦合、光偏振态控制、光信号的相位偏转和光混频信号的传输。
4.1.2纳米线单光子探测技术
纳米线探测器是一种在红外波段非常具有吸引力的单光子探测明星技术，该型探测器研究在近年来呈现“井喷式”的发展，这类探测器具有高探测效率、低暗计数、和快速响应等优点。
4.2 大气湍流抑制技术
激光链路中继卫星与光学地面终端之间传输速率高、链路距离长，通常采用大口径光学天线。由于星地大气信道是一个时变信道，大气扰动对通信系统的影响是随机变化的，主要表现为功率损耗、功率波动、光束传输方向改变、光束扩展、波前相位变化和相位相干性变化等。
4.2.1 自适应光学技术
由于大气湍流的影响，下行信号光会产生波前相位畸变，自适应光学系统是以光学波前为控制对象的实时反馈自动控制系统，主要包含波前传感器、变形镜和控制系统三部分。采用自适应光学技术可以有效抑制大气信道对激光传输产生的动态波前误差，因此是实现恶劣天气情况下星地相干光通信的有效手段。
4.2.2 信道编码技术
即使在天空看起来非常干净的情况下，地球大气层中的空气的不稳定流动也会干扰传输过程，从而给通信带来错误。为了克服这些影响，科学家们还提出使用各种？编码改善通信误码率的方法。
4.2.3 多孔径收发技术
通过多孔径发射可以有效消除大气湍流引起的光强闪烁。发射孔径数目越多，光强起伏方差越小，同时，随着发射孔径数目增加，光强起伏方差的变化越来越小。
4.3 高精度ATP技术
高精度ATP分系统是实现星地远距离光通信的核心系统，系统的作用是在接收端探测发射端发出的信标光，并对其进行捕获、跟踪，用以完成点对点的锁定，在两端间建立通信链接。然后，双方用信号光束开始传输数据，实现通信。高精度ATP分系统采用复合轴控制系统结构，主要包括粗跟踪单元、精跟踪单元、中心控制器及光学传感器单元等。
[关键词]相干光通信、光学地面终端、天基信息传输系统
中图分类号：V556.8 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）33-0146-02
一、引言
天基信息传输系统是为中、低轨道的航天器之间，航天器与地面站之间提供天基测控与数据中继服务的系统。可以通过天基信息传输系统将遥感、遥测信息实时传回地面，不再需要通过全球布站的方式来实时监控和获取中、低轨航天器数据，这从根本上解决了中、低轨卫星实时通信的高覆盖率问题。因此，天基信息传输系统是实现全球侦察监视并为战略预警提供实时信息传送的重要手段，对一个国家或区域的战略独立性至关重要。
传统的天基信息传输系统采用微波传输体制（S、Ku、Ka频段等），由于受到载波频率的限制，传输速率达到每秒千兆比特以上比较困难。激光通信具有高速率、高保密性、低功耗等优点，以窄线宽激光光源作为载体的相干光通信技术可以实现接近量子极限的灵敏度，是实现高速率实时信息传输的有效手段。
光学地面终端是激光天基信息传输系统的重要组成部分，是实现星地大容量数据稳定可靠传输重要要的一环，并且兼具卫星激光通信终端地检的功能。
二、激光天基信息传输系统及光学地面站的发展
下面我们将介绍欧洲和美国激光天基信息传输系统研究现状，并阐述光学地面终端在激光天基信息传输系统发展中发挥的重要作用。
2.1 欧洲
欧洲激光天基信息传输系统的研究水平在世界上处于领先地位，早在20世纪80年代，欧空局启动了半导体激光星间链路实验，经过数十年的发展，激光天基信息传输系统即将步入实用化阶段。
2001年，欧空局的数据中继卫星ARTEMIS（GEO）与法国的地球观测卫星SPOT-4（LEO）完成了速率为50Mbps的通信试验。
2008年，欧空局启动了“欧洲数据天基信息传输系统”（EDRS）项目，该项目沿用TerraSAR-X激光终端的相干通信体制，使得通信距离在45000km的条件下，通信速率可以达到1.8Gbps。作为EDRS项目的前身，欧空局将该终端安装在最新的地球静止轨道通信卫星Alphasat上[5]，2013年11月，Alphasat完成首次数据中继试验，该卫星从低轨卫星群中收集数据，并转发到西班牙加那利群岛的泰德光学地面站，在超过36000km的距离上，星地终端可以实现精确对准，通信速率可达1.8Gbps。
光学地面站是星地激光通信的地面终端，并且兼具星上激光通信终端的地检功能。1998年，欧空局投资在西班牙加纳利群岛的泰德天文台建设了一个光学地面站，该地面站海拔高度为2393米，望远镜为里奇-克雷蒂安类型，口径为1.016米，焦距为13.3米。该地面站还与相距142公里的拉帕尔马岛上的激光通信终端配合，用于开展星间相干光通信或量子通信试验的地面验证试验。
2.2 美国
美国同样在大力开展激光链路中继卫星的研究计划，。早在1995年，美国开始了STRV-2光通信终端的研制，计划用于卫星与地面站间高速激光链路的空间演示实验。2000年，STRV-2随LEO卫星TSX-5成功发射升空并进入预定轨道。
2013年，美国NASA哥达德太空飞行中心与麻省理工大学林肯实验室合作开展了月球激光通信验证项目（LLCD），该项目是一个短期实验项目，并与2013年发射了月球大气和尘埃环境探测器（LADEE），目前，LLCD已经在地月距离上实现了高速双向激光通信。LADEE卫星主要地面接收站位于大部分时间无云的墨西哥沙漠中的白沙测试场，还有两个可替代的备用接收站分别是美国喷气推进实验室位于加州桌山的光学地面站，该地面站只负责接收信号；另外一个地面站是位于西班牙加那利群岛的泰德光学地面站，该光学地面站具备与LLCD设备之间的双向通讯能力。
三、光学地面终端的系统组成
激光通信光学地面接收系统主要包括：光学分系统、ATP分系统、接收分系统、主控分系统、时频分系统、测试标校分系统及运控管理，供电等部分。
光学分系统主要由信标光接收与发射系统、信号光接收与发射系统、波前修正分系统、光学接收光学系统等部分组成，用于信号光与信标光光束的传输与变换。
ATP分系统主要由粗跟踪伺服机架和快速跟踪反射镜共同构成的复合轴跟瞄系统，由主望远镜、粗跟踪单元、精跟踪单元及中央控制器等部分组成，用于对卫星的高精度指向跟踪、确保通信稳定。
主控分系统主要包括各种系统控制与接口电路，主要完成卫星轨道引导跟踪控制及各分系统的管理协调、监控、记录及信息处理等功能。
此外，激光通信光学地面接收系统还包括接收分系统、地面时频分系统、测试标校分系统及运控分系统。
四、光学地面站的关键技术
4.1 高灵敏度光学接收技术
4.1.1零差相干接收技术
如图四所示，相干探测单元主要包含高增益光学混频技术、高灵敏度平衡探测器技术、低相位噪声光学锁相环技术。其中，高增益光学混频技术是相干接收分系统的光学核心器件，主要完成本振光与信号光的耦合、光偏振态控制、光信号的相位偏转和光混频信号的传输。
4.1.2纳米线单光子探测技术
纳米线探测器是一种在红外波段非常具有吸引力的单光子探测明星技术，该型探测器研究在近年来呈现“井喷式”的发展，这类探测器具有高探测效率、低暗计数、和快速响应等优点。
4.2 大气湍流抑制技术
激光链路中继卫星与光学地面终端之间传输速率高、链路距离长，通常采用大口径光学天线。由于星地大气信道是一个时变信道，大气扰动对通信系统的影响是随机变化的，主要表现为功率损耗、功率波动、光束传输方向改变、光束扩展、波前相位变化和相位相干性变化等。
4.2.1 自适应光学技术
由于大气湍流的影响，下行信号光会产生波前相位畸变，自适应光学系统是以光学波前为控制对象的实时反馈自动控制系统，主要包含波前传感器、变形镜和控制系统三部分。采用自适应光学技术可以有效抑制大气信道对激光传输产生的动态波前误差，因此是实现恶劣天气情况下星地相干光通信的有效手段。
4.2.2 信道编码技术
即使在天空看起来非常干净的情况下，地球大气层中的空气的不稳定流动也会干扰传输过程，从而给通信带来错误。为了克服这些影响，科学家们还提出使用各种？编码改善通信误码率的方法。
4.2.3 多孔径收发技术
通过多孔径发射可以有效消除大气湍流引起的光强闪烁。发射孔径数目越多，光强起伏方差越小，同时，随着发射孔径数目增加，光强起伏方差的变化越来越小。
4.3 高精度ATP技术
高精度ATP分系统是实现星地远距离光通信的核心系统，系统的作用是在接收端探测发射端发出的信标光，并对其进行捕获、跟踪，用以完成点对点的锁定，在两端间建立通信链接。然后，双方用信号光束开始传输数据，实现通信。高精度ATP分系统采用复合轴控制系统结构，主要包括粗跟踪单元、精跟踪单元、中心控制器及光学传感器单元等。