1.2.2 美国

美国卫星光通信研究开展得较早，20世纪70年代即开始了相关研究。由于美国初期的星地光通信研究往往由政府主导，保密性较高。随着欧洲和日本卫星光通信研究的成功，越来越多的商业公司开始进入卫星光通信市场，美国卫星光通信的研究也变得开放起来。

Thermo Trex公司为美国进行光通信研究。Thermo Trex公司首次将法拉第反常色散光学滤波器（Faraday Anomalous Dispersion Optical Filter，FADOF）引入瞄准、捕获和跟踪（Pointing Acquisition and Tracking，PAT）系统中，FADOF的带宽可以窄到0.01 nm，对本底光噪声有很强的抑制作用。实验表明，FADOF可以在大视场角（Field of View，FOV）下取得较高的信噪比，从而实现对目标的快速捕捉和锁定。

激光通信演示（Optical Communication Demonstration，OCD）系统由美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）支持的喷气动力实验室研制，其研制目的是实现在实验室环境下验证自由空间激光通信中的精密光束瞄准、高带宽跟踪和信标光捕获等关键技术。如图1-9所示，该演示系统采用单个快反镜和单个焦平面相机实现瞄准、捕获和跟踪等多项功能，大大简化了终端设计。虽然OCD 系统并没有实用化，但是其设计思路为后来很多喷气动力实验室的研究提供了借鉴。

20世纪80年代末到90年代初，美国弹道导弹防御组织（Ballistic Missile Defense Organization，BMDO）开始支持空间技术研究卫星 STRV-2。该研究的目的在于演示LEO卫星TSX-5与地面站间的上行和下行激光通信，验证卫星与地面间的Gbit/s速率通信是否可行。STRV-2的设计采用直接调制半导体激光发射和雪崩光电二极管接收。跟瞄装置采用二极管激光（852 nm波长）作为信标光，CCD成像器接收，铯原子线滤波器用作本底光抑制。整个通信终端电子设备质量为14.5 kg，设计通信链路长度最大为2 000 km。

STRV-2实验系统（图1-10）采用了极化复用通信技术来提高通信速率，其设计通信速率为卫星到地面500 Mbit/s×2和地面到卫星155 Mbit/s×2。在天线设计方面，发射端和接收端相互分离，TSX-5卫星上终端天线直径为1.6 cm（发射）和13.7 cm（接收），地面站上天线直径为30.5 cm（发射）和40.6 cm（接收）。同时为了减轻大气闪烁的影响，STRV-2系统采用了多个发射孔径，其中星上终端4路，地面终端12路。2000年6月7日，激光终端随TSX-5试验卫星发射升空，该激光终端质量为14.29 kg，体积小于1立方英尺（约为0.028立方米），功耗为75 W，通信速率可以达到1 Gbit/s，星地通信距离最远可以达到2 000 km，地面仰角大于15°。但由于星上终端问题，未能实现对地面站上行信标光的捕获和跟踪，最终由于星历精度和卫星的姿态控制误差超出预期，STRV-2星地激光链路实验宣告失败。

2001年5月18日，美国国家侦察局（National Reconnaissance Office，NRO）的同步轨道轻量技术试验GEOLITE卫星成功发射并进入预定轨道。GEOLITE卫星携带了一个试验用的激光通信端机和一个工程用的超高频（UHF）通信设备，以进行激光通信试验和宽带通信试验。麻省理工学院的林肯实验室负责激光通信端机的设计。NRO对外宣布本次卫星试验非常成功，实现了激光通信链路，但未见进一步的详细报道。

2013年10月的月球激光通信演示（Lunar Laser Communication Demonstration，LLCD）计划实现了月球轨道与多个地面基站40万千米距离的双向通信，月地最大下行和上行速率分别达到622 Mbit/s和20 Mbit/s。该计划包括一个飞行激光终端和3个光学地面站，成功实现了下行40～622 Mbit/s，上行10～20 Mbit/s的通信试验。3个光学地面站分别位于白沙（White Sands，NM）、桌山（NASA JPL's Table Mountain，CA）、欧洲航天局西班牙特纳利夫岛。2017年11月，NASA创新型1.5 U立方体卫星的“激光通信与传感器演示”（Optical Communication and Sensor Demonstration，OCSD）项目对未来小型卫星的高速率激光数据传输技术进行了验证，星地链路下行速率达到2.5 Gbit/s。

在 LLCD 项目成果的基础上，为实现太空高速互联网，NASA 启动了激光通信中继演示验证（LCRD）计划，如图1-11所示。LCRD重点验证这种技术的运行寿命和可靠性，还将测试 LCRD 在多种不同环境条件和运行情境下的能力。通过使用 LCRD，NASA 将有机会在不同气象条件下，以及一天中不同时间点测试激光通信的性能，以获得数据积累。

除了完成上述试验外，该项目还为国际空间站设计激光通信终端，旨在使用LCRD以Gbit/s 级的数据速率从国际空间站向地面中继数据，希望一旦通过测试，NASA 许多其他在轨任务也运行这种终端，从而通过LCRD向地面中继数据。LCRD将运行2～5年。配备激光调制解调器的两个地面终端位于桌山和夏威夷，将验证与LCRD之间的双向通信能力；LCRD将部署于地球同步轨道，其轨位处于这两个地面站点之间，如图1-12所示。

LCRD 拥有两个光学模块。光学模块与调制解调器、电子控制器共同组成 LCRD的飞行有效载荷。LCRD有效载荷包含两个相同的光学终端，这两个终端由被称为“空间切换单元”的组件连接；“空间切换单元”可用作数据路由器，还可以连接到射频下行链路。调制解调器将数字数据转化为激光或射频信号，并进行逆向转化，安装在STPSat-6卫星上的两个LCRD激光终端如图1-13所示。一旦将数据转化为激光，LCRD光学模块将把激光携载的数据传送至地球。为此，光学模块必须能够精确指向，以接收和传输数据。电子控制器模块可通过指挥执行器，帮助调节望远镜的指向并使其保持稳定，不受任何航天器移动和振动的影响。

LCRD激光终端在2021年发射升空，该终端的组成和信息流如图1-14所示，其通信速率可以达到2.880 Gbit/s（DPSK）、622 Mbit/s（PPM），激光终端的通信波长为1 550 nm，望远镜口径108 mm，发射光功率0.5 W，功耗130 W，质量60 kg。

LCRD的第一个太空用户是NASA的集成LCRD近地轨道用户调制解调器和放大器终端（ILLUMA-T），如图1-15所示，该终端接收来自空间站上的实验和仪器的高质量科学数据，然后以1.2 Gbit/s的速率将这些数据传输到LCRD。LCRD会以相同的速率将其传送到地面站。

2014年4月，激光通信科学光学载荷（OPALS）随SpaceX的“龙”飞船发射升空。如图1-16所示。该载荷被NASA安装在国际空间站的舱外，与JPL的桌山的光学地面站进行通信，采用4个上行的信标光抑制大气湍流的影响。在晴天和暗背景条件下，空间站激光终端很容易捕获到地面上行信标光，白天跟瞄是个巨大的挑战。每天国际空间站18次经过地面站，其中9次在白天经过，9次在晚上经过。2014年6月5日，OPALS在晚上第一次实现与地面站的通信，持续时间为148 s，重复发送了3.5 s的视频；7月发送了1969年Apollo 11登月视频，用时7 s。

为解决低轨卫星大容量数据下传的问题，NASA提出拟开展超高速突发大容量激光数据下行试验，即太字节红外传输（TeraByte InfraRed Delivery，TBIRD）。该计划最大通信速率达到200 Gbit/s，可以实现单个地面站每天50 TB数据的下传，大幅缩减对激光骨干网的带宽需求。如图1-17所示，Tbird激光终端最大的特点是采用光纤通信的货架100 Gbit/s光收发产品，终端的体积为2 U，质量小于2.25 kg，安装在6 U的立方星上。初始的验证工作地面站采用NASA现有的带自适应光学的地面站，后期计划研制低成本的光学地面接收站，可以放置在用户的数据存储中心，避免浪费地面光纤宽带通信资源。

1.2.3 日本

日本开始进行星地光通信研究的时间较美国要晚一些，但是日本的研究进展迅速，并于1995年与美国喷气动力实验室一起实现了世界上首次星地光通信链路，从而证明了星地光通信是可行的。激光终端搭载的卫星平台是日本的ETS-VI卫星，于1994年8月28日发射。该卫星与JPL的光学地面站开展了地面―轨道飞行器间激光通信演示（Ground/Orbiter Lasercomm Demonstration，GOLD）试验。如图1-18所示，GOLD试验采用1个0.6 m和1个1.2 m望远镜，其中0.6 m望远镜用于1.024 Mbit/s上行信号光发射，调制方式为曼彻斯特伪随机码。激光通信终端的望远镜口径为75 mm，具备光束瞄准、捕获和跟踪能力，实现方式为单反射镜。下行发射光波长为830 nm，上行接收光波长为514.5 nm，采用硅基雪崩光电二极管（APD）作为通信接收器件。

日本航天局（JAXA）从1992年开始了名为OICETS的概念设计和可行性试验卫星计划，包括LUCE在内的初步设计在1994年完成。LUCE的工程样机集成后开展了热真空、电磁兼容性等环境适应性试验，随后研制的正样件也经过了相应的环境试验。2003年9月，Artemis卫星和日本的LUCE激光终端在西班牙借助光学地面站实现了光学捕获、跟踪和通信测试，验证了接口和流程的适配性。OICETS卫星于2005年8月发射升空，轨道类型为太阳同步轨道，轨道高度为610 km，轨道倾角为97.8°。2005年12月，JAXA成功实现了世界上首次OICETS与Artemis卫星的星间双向激光通信试验，上行速率50 Mbit/s，下行速率2 Mbit/s，如图1-19所示。

为了验证星地激光通信的可用性，JAXA在2006年开展了 KODEN计划，旨在通过多个地面站降低大气湍流和天气的影响。整个试验分为5个阶段进行，前三个阶段分别在3月、5月、9月进行。这是首次低轨卫星对地激光通信试验。第一阶段采用多光束发射技术降低大气湍流强度起伏；第二阶段因为天气原因没有成功；第三阶段测试了上行和下行的通信误码率；第四阶段采用新的快反镜测试星地下行的单模光纤耦合效率，测试激光光束的大气传播特性，并且测试LDPC纠错码对上行链路性能的改善作用；第五阶段开展多个地面站联合通信的试验，成功和美国 JPL、欧洲航天局西班牙、德国宇航中心、日本 NICT 的4个光学地面站开展了联合通信试验，如图1-20所示。

NICT光学地面站试验时段一般安排在1:00-2:00，一共开展了57次建链通信试验，其中建链成功次数为28次，由于雨和云造成建链失败的次数为26次，操作失误3次。在4站联合试验时的各站成功概率见表1-1。

假设4个光学地面站是不相关的，多站联合建链概率可以表示为

根据式（1-1）计算的4站联合成功概率为0.990 3。因此通过多站联合提升星地链路可用度是可行的。

日本还开展了小型光学应答机（Small Optical Transponder，SOTA）的研制。该激光终端于2014年5月24日随SOCRACTES卫星发射升空，轨道高度628 km，轨道倾角97.69°，主要发射目的为在轨验证捕获，通信编译码等。SOTA 的主要技术参数见表1-2，光学头如图1-21所示。