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The Lunar Laser Communications Demonstration (LLCD)
月球激光通信演示（LLCD）
D. M. Boroson, J. J. Scozzafava, D. V.
Murphy, B. S. Robinson, M.I.T. Lincoln
Laboratory, Lexington, MA
H. Shaw, NASA Goddard Space Flight
Center, Greenbelt, MD
boroson@ll.mit.edu
摘要-美国宇航局目前正在监督一个创造世界上第一台自由空间激光器通信系统的项目，迄今为止已证明，该系统的可操作范围是近地距离的十倍。NASA在2012年计划发射一个可以在月球大气和尘埃环境下飞行的探测器（LADDE），它将演示用高速激光从月球轨道和一个在地球上的可移动的地面终端的通信。为了能在大约在400000公里的距离下支持622Mbps的下行速率的连接，这个系统将使用高峰值功率掺杂光纤发射器，一个混合指向和跟踪系统，高效率调制和编码技术，超导光子计数探测器，和一个可扩展的光学收集器架构。它也可以在上行数据速率达到20Mbps，加上一个高度精确的连续双向飞行时间具有潜力的测量能力以厘米级精度进行测距移动的航天器。该项目由麻省理工学院林肯实验室（MIT / LL）和美国宇航局戈达德太空飞行中心（GSFC）负责。
I. 介绍
美国国家航空航天局预计在不久的将来，从深空到地球的长途通信服务需求将大幅增加。距离可达40 AU（1 AU = 149.6百万公里），数据速率要求为1到1000 Mb / s。很人们早就知道光通信与RF系统相比有几个很大的优点：尤其是光通信可用于传输高速率数据的极宽带宽发射机和接收机，来自小终端的增益非常高和不受管制的频谱。尽管光通信技术在太空中的使用多年来一直没有什么进展，但在过去的十年中，几项国际性的成功证明它是真正可以考虑满足NASA的需求的技术。在美国，GOLD演示和GeoLITE；在国际上，SILEX系统和国际合作的OICETS和TESat，都展示了远程和空间激光通信的可能性和优点。
美国宇航局最近也有一些研究在调查激光通信的潜力。一项研究2007年的报告（“RF和光通信：在2020年时间范围内从深空获取高数据速率回报的比较”）显示，激光通信有可能提供RF系统可能提供的任何数据速率，但激光通信的质量更低，功耗更低。一些需要高数据速率，特别是从很远的距离的通信，甚至没有使用RF的可行性，但现在使用激光通信的技术可以解决。（见 e,g.[2]）
在2003年，美国宇航局启动了火星激光通信示范项目，这是世界上第一个真正的深空激光通信任务。该计划的目标是从NASA卫星Mars Telecom Orbiter演示速率3-50 Mbps（取决于距离）的激光通信。该方案由麻省理工学院林肯实验室开发的空间终端，由喷气推进实验室研制的基于海尔望远镜的地面终端，以及由林肯实验室开发的基于新型望远镜接收阵列的一个地面终端，展示了很多首创性的成果（[3],[4]）：一个长达40分钟往返的激光双工链路，尖端角度可达100个波束宽度，一个基于惯性稳定参考的高带宽波束稳定空间终端，接近容量实现率frac12;采用交织和turbo解码编码，一个基于主振荡器功率放大器（MOPA）的5-W发射机，支持64- ary PPM和两种独立的光子计数技术 - JPL的混合光电倍增管（PMT）和林肯的盖革模式雪崩光电二极管（APD）阵列。
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这项工作由美国国家航空航天局根据空军合同F19628-00-C-0002提供。意见，解释，结论和建议是作者的意见，并不一定得到美国空军的认可。
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尽管MLCD计划通过其初步设计评审成功进行，但不幸的是，MTO在2005年取消。NASA也被迫取消MLCD。
然而从那时起，美国宇航局一直在继续开发能够实现火星及其他地区高速数据传输的技术。此外，美国航天局也一直在追求相关技术，为月球的任务做服务。虽然使用自RF技术可能实现对月球的高速率数据通信（高达并超过1 Gbps），激光通信还是有可能在太空终端提供更高的质量和更低的消耗的通信。激光通信还有可能提供更高的速率，其潜力远远超过RF通信。
II. LADEE（月球大气和尘埃环境探测器）和LLCD（月球激光通信演示） 程序
在2008年春天，美国宇航局启动了发送一种新的小型飞船在轨道上运行的计划。这项科学任务是测量月球大气的组成，并描绘月球大气层的尘埃环境。计划开始不久后，人们意识到这艘小艇有足够的容量再携带一个的小型载荷，这可能是完成激光通信技术演示的完美机会。因此，月球激光通信演示诞生了。
这项科学任务被称为月球大气和尘埃环境探测者，或LADEE。（图[5]，由美国航天局Ames研究中心运行）这小型航天飞行器由Ames研究中心（ARC）设计和制造，基于他们最近开发的模块化总线设计，如图1所示。将于2012年中期在弗吉尼亚州沃洛普斯岛（Walops Island）的Minotaur V上发射，这种小而精干，相对便宜的飞船将成为第一次前往月球，甚至更远的地方的小型飞行器。
月球激光通信演示或LLCD的主要目标是证明在月球距离从小型终端执行高速率激光通信的可行性。LLCD包含三个主要组件：月球激光通信空间终端（LLST），月球激光通信地面终端（LLGT）和月球激光通信控制中心（LLOC）。麻省理工学院林肯实验室正在设计链路和系统，并正在设计和构建这三个组件。该计划由美国宇航局戈达德太空飞行中心（GSFC）负责管理，负责开发LADEE航天器上的三种科学有效载荷。
III.月球激光通信演示（LLCD）系统
LLCD的主要目标是实现下行数据速率662Mbps和上行数据速率20Mbps的数据通信。为此，图2所示的LLST由3个模块组成：光模块，调制解调器模块和控制器电子模块。全模架光学模块位于小型航天器的外表面上，另外两个模块位于内部。连接通过电气和光纤束进行。在1550nm和1570nm之间有3个波长。
光学模块包括基于COTS部件（[6]），10厘米反射望远镜，空间探测检测器和光纤耦合光学器件的2轴万向节。采集探测器是一个简单的象限探测器，视场大约为2 mrad。它既用于检测扫描的上行链路信号，又用作该信号初始拉入的跟踪传感器。接收器是一个带光学前置放大器的光纤耦合探测器。 低频跟踪误差信号通过使用压电换能器对光纤进行物理章动而产生。发射器也是光纤耦合的，并且使用二向色分束器将两个光束在小光学器件中组合/分离。发射器和接收器光纤可以通过一个压电传感器来保持发射光纤。
这套完整的光学元件可灵活安装在基于ATA公司制造的磁流体动力学惯性参考单元（MIRU）的设备上。该设备最初是用于MLCD空间终端。它是一个小型平台，集中安装光学元件，使用基于磁流体动力学的角速度传感器来感应角度变化。反馈信号到音圈执行器保持平板惯性稳定，至少在5赫兹以上。LLCD光模块设计采用MLCD概念，并通过其中心平衡10厘米望远镜和光学后端。
通常来说，激光通信终端支持对称或近对称链路，速率都很高。因此，通常有足够的功率来使用空间跟踪传感器上测量的输入功率的10％左右，然后用于驱动快速转向反射镜。据MLCD特派团了解，深空任务，特别是使用通过大气层的上行链路的任务，发现难以向空间终端提供尽可能多的功率，因为在宽带跟踪环路中可能需要使用这种方法。因此，惯性稳定望远镜允许低得多的功率输入信号来支持更低带宽的跟踪器。在LLCD上，约5Hz以上的频率由MIRU稳定，并且使用来自光纤章动系统的误差信号来稳定低于约5Hz的频率。
该光纤耦合发射器采用0.5 W主振荡器功率放大器设计，使用外部调制器在5 Ghz时隙时钟上创建16-ary PPM的多种数据速率。Virtex-4 FPGA用于格式化，编码和交织数据，速率高达622 Mbps。同样的FPGA也用于解码和进一步处理上行链路，这是311 Mhz时隙时钟上的20 Mbps 4-PPM信号。可变死区时间（非常类似于[7]中描述的概念）用于改变上行数据速率。下行链路数据速率通过使用每个PPM插槽5 Ghz时钟的多个计数而变化。
光学模块在启动期间通过一个盖子和一次启动锁存器进行保持和保护。
调制解调器模块包括PPM发送器和接收器的电光学器件，FPGA和高速数字电子器件以及模拟接收器前端电子器件。
控制器电子部件包括一个通用处理器，用于连接航天器，以及用于光学模块中所有传感器和执行器的I / O以及用于运行它们的数字控制回路。
地面终端LLGT包括一个发射望远镜阵列和一个接收望远镜阵列，以及几个电子和电光学机架。如图3所示，它计划运往美国西南部的地面站点，望远镜将驻留在混凝土垫上。
发射机系统包括四个15厘米的链接型望远镜和在一个单一的万向节。每个望远镜传输高达10瓦，并携带专用相机进行空间采集和跟踪。波束包括上行链路通信波长和空间采集波长的总和，其功率比可以变化。
接收器系统包括四个40厘米的望远镜，每个望远镜都有一个多模光纤，将其接收到的光束耦合到接收器，并放置在几米远的地方。每台望远镜都会在跟踪摄像机上发送少量的输入功率。多模光纤的设计使得即使在恶劣条件下，跟踪系统也能将大部分接收到的光耦合到光纤中。
下行链路接收器基于麻省理工学院林肯实验室和麻省理工学院联合开发的超导纳米线单光子探测器（SNSPD）。（[8]）这些器件的检测效率为50％，时间抖动仅为30 psec，这意味着它们在5 Ghz时钟上检测脉冲时没有问题。它们的尺寸大小可以达到约3微秒的复位时间，因此用于每个望远镜8个探测器的小型多元件阵列。（[9]见图4）探测器阵列的尺寸经过精心设计，每个多模光纤的输出都可以通过简单的光学元件轻松耦合。
利用数据交错技术来抵御各种衰落现象，并通过其turbocoder（[10]）获得接近香农容量的代码，该系统将能够实现大约每个光子一位的效率。来自四个这样的系统的计数聚合提供了足够的光子来支持高达622Mbps，即使在恶劣的大气条件下也可以达到311Mbps。整个LLCD系统由LLOC进行协调，LLOC将与GSFC建立的科学运作中心一起协调LADEE上的科学有效载荷。
IV. 月球激光通信演示的任务
LADEE任务的设计时间很短，总共只有4个月。因此，LLCD的目标是在第一个月实现尽可能多的激光通信时间，单个地面站的天气变化是最大的变量。预计将有近20个小时的行动，包括在白天，夜间，满月，新月，高海拔，低海拔以及各种大气条件等条件下进行指示，采集和通信实验。
LLCD系统的最后一个特点是它的飞行时间测量系统。由于在上行链路和下行链路上都有这样短的脉冲，因此认为仔细协调时钟可以允许测量双向飞行时间到一小部分脉冲时间。由于上行链路脉冲大约为300psec，因此LLCD期望以远低于150psec的总误差进行瞬时双向测量。即使在短时间内平均，这种能力也可提供亚厘米范围，甚至当系统的范围以高达几千米每秒的速率变化时。
V.结论
我们试图简要介绍即将于2012年中推出的LLCD系统的设计。希望成功的任务能够为NASA的未来使命打开实现极高数据速率和极小空间终端的可能性。从月球开始，然后扩大到拉格朗日点任务，并最终到行星任务，激光通信可以改变太阳系的数据收集和任务战略。
参考文献
[1] “RF and Optical Communications: A
Comparison of High Data Rate Returns From
Deep Space in the 2020 Timeframe,”, William,
W.D., et al, NASA/TM—2007-214459.
[2] “Prospects for Improvement of
Interplanetary Laser Communication Data
Rates by 30 dB,” Hemmati, H.,Biswas, A., and
Boroson, D. M., Proceedings of the IEEE, Vol.
95, No. 10, October 2007.
[3] “The Mars laser communication
demonstration,” Townes, S.A., et al, Proceedings
Aerospace Conference, 2004, 6-13 March 2004,
Pages1180 – 1195, Vol.2.
[4] “Overview of the Mars Laser
Communications Demonstration Project,” 2005
Digest of the LE
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