卫星激光通信日渐火热！一文带你读懂技术、机遇与挑战

2023-10-10 14:38

作者：梁张华

物联网智库原创

随着数以千计的卫星被送入轨道，卫星激光通信技术日益受到重视，被视为一项关键使能技术。业界认为其结合了无线电通信和光纤通信的优点，具有带宽高、传输快速便捷以及成本低等优势，是解决信息传输“最后一千米”的最佳选择。

近年来，我国卫星激光通信迎来快速发展：一方面，卫星激光通信试验取得重大突破。2020年，“实践二十号”卫星与丽江地面站成功建立激光通信链路，实现从卫星到地面站最高10Gbps的下行传输速率，其他关键指标也已经对齐国际先进标准。

另一方面，资本市场对卫星激光通信的商业化前景看好。以卫星激光通信企业「氦星光联」为例，2023年4月，公司完成由永徽资本领投，紫金港资本、创享投资、嘉兴黑盒以及老股东东证创新、杭州岙华联合投资的第五轮融资。公司已实现通信单元的在轨验证。本轮融资距上一轮仅6个月，反映了一级市场对该项目和技术的认可。

什么是卫星激光通信？

卫星的通信方式主要可分为2种：使用电磁波进行通信，以及使用光进行通信。进一步细分，又可分为微波通信、太赫兹通信、激光通信和量子通信。

其中，太赫兹和量子通信或者相关技术仍不完善，或者器件的成熟度还未达到可工业使用的要求，目前距应用仍有较大距离。

目前最成熟的通信方式是微波通信。微波通信在器件、算法等各方面的发展都已经较为成熟。但同时，微波通信也存在一些不足之处。一是长距离传输需要较高的功耗，传输速率也会受到限制。二是由于星际环境复杂多变，微波通信需要申请特定的频段，避免与相邻卫星通信频率重叠，以防止信号干扰。

相对而言，激光通信技术日益成熟，在星间通信中的使用逐步增多。激光通信受益于地面的光纤通信对产业链的催化，其优势为传输速率高、无频段限制，且对其他任何星间通信不会造成干扰。

卫星激光通信是利用激光作为信号载波，将语音和数据等信息调制到激光上进行传输的方式。区别于微波通信，激光光束在空间中充当信息的传输载体。按照激光传输环境的不同，卫星激光通信分为两类：一是真空环境下的激光通信，即星间激光通信，主要应用于真空环境中的设备，如卫星与卫星、飞船、空间站等之间的通信；二是在大气环境下进行的激光通信，即星地激光通信，这种通信技术应用比较广泛，如用于卫星与地面、海上用户及空中飞行器的连接等。

卫星激光通信的核心技术要素包括关键组件、通信体制和对准捕获方式。

其关键组件包括激光发射器、发射光学镜头、接收光学镜头、激光接收器、控制硬件等。

空间激光通信共有两种最常用的通信体制：相干通信和非相干通信。目前，相干通信和非相干通信都已在国际上完成在轨关键技术验证，并开始了大规模的组网建设部署。相比之下，在工程应用场景中，相干体制适用于链路距离较远且速率较高的情况，而非相干体制则适用于链路距离较近且速率较低的情况。

对准捕获方式包括信标光和非信标光两种。“信标光+信号光”捕获方案是指激光通信终端使用单独的信标光。通过使用较宽的信标光束按照一定的扫描方式对不确定区域进行扫描。终端使用大视场的捕获探测器来监测接收信标光的质心位置，以实现对信标光的捕获和跟踪，进而将信号光引导至跟踪探测器接收视场，进行精确跟踪，最终实现激光建立通信链路。

“非信标光”捕获方案则是指在工作过程中不使用信标光，直接使用信号光进行扫描，并通过对信号光进行分光，实现光通信终端之间的捕获和跟踪功能。

非信标光对准示意图

来源：武凤等《基于空间成像的卫星光通信双向捕获技术》

卫星激光通信的技术优势和亟待突破的瓶颈

优势方面，卫星激光通信采用高频率激光作为载体，具有以下特点：

通信速率高：传统微波通信载波频率在几GHz到几十GHz范围内，而激光载波频率具有数百THz量级，比微波高 3~5个数量级，可携带更多信息，加上波分复用等手段，未来可以以Tbps速率传输信息。

抗干扰能力强：激光具有较窄的发散角，指向性好，没有卫星电磁频谱资源限制约束（因此无需申请空间频率使用许可证），通信过程中不易受外界干扰，抗干扰能力强。

保密性好：卫星激光通信波谱使用0.8~1.55μm波段，属于不可见光，通信时不易被发现。而激光发散角小，束宽极窄，在空间中不易被捕获，保证了激光通信所需的安全性和可靠性。

轻量化：激光波长比微波波长小3~5个数量级，激光通信系统所需的收发光学天线、发射与接收部件等器件与微波所需器件相比，尺寸小，重量轻，可满足空间卫星通信对星上有效载荷小型化、轻量化、低功耗的要求。

节省建设成本：通过激光通信建立星间激光链路，可以有效减少地面信关站的建设需求；同时有助于数据流汇聚，进而简化卫星网络结构，从而多方面节省建设成本。

瓶颈方面，激光通信技术也面临着亟待突破之处：

接收机和发射机之间的瞄准系统复杂：卫星激光通信发散角小，需要光学系统以及高精度的跟瞄辅助机制完成建链。尤其是接收机和发射机之间的瞄准非常困难。空间光通信系统要完成远距离卫星间光信号的发射与接收，必须进行远距离卫星间或者空间站间目标的捕获与跟踪，前者依赖于激光通信系统，后者取决于光学跟瞄系统（PAT）。

发射天线和接收天线的效率、精度、体积、重量和成本的平衡难度较高：出于获取最小光斑的需求，发射天线可以设计成接近衍射极限，但同时给精确对准带来了困难。为了接收更多的能量信号，接收天线直径越大越好，但这会增加系统的体积、重量和成本。提高接收灵敏度十分重要。

远距离传输容易出现信号衰弱和延时等问题：卫星距离地面的高度介于600千米~3.6万千米。激光通信的实用化，仍面临较大挑战。尤其是环境对激光通信信号会有较大干扰。虽然激光通信不受电磁干扰，但大气中的气体分子、水雾、霾等与激光波长相近的粒子会引起光的吸收和散射，极大地妨碍、吸收光波的传输；同时，大气湍流也会严重地影响到信号的接收。

全球卫星激光通信发展概况

近年来，由于星座网络的战略重要性日益凸显，卫星激光通信开始吸引大众的视线，并且呈加速发展态势，成为大国间博弈的热点。

美国

2015年以来，美国已开展多项卫星激光通信验证、演示计划和产业应用，在该领域的技术发展走在全球前列。

SpaceX 2015年宣布开始布局 “星链”项目；2019年，正式将首批60颗卫星发送入轨道，在星间采用卫星光通信技术。大规模的卫星激光通信技术得到采用，使卫星激光通信正式向产业化方向发展。

美国Optical Communication and Sensor Demonstration（OCSD）卫星验证了微小卫星可以通过激光星间链路实现高速率星地通信，打破了此前对激光星间通信在体积和质量上的限制。OCSD-A星于2015年10月发射，OCSD-B/C星于2017年11月发射，分别验证了卫星对地面空间站可以通过激光星间链路实现较高的通信速率。

类似地，麻省理工学院、佛罗里达大学和美国航空航天局埃姆斯研究中心联合研制的立方卫星激光红外连接CLICK系统也用于验证星间、星地激光通信。CLICK系统可以展示低SWaP激光终端，能够进行全双工高数据速率下行和星间连接，以提高精确测距和时间同步。

2022年5月，搭载太字节红外传输器（TeraByte InfraRed Delivery，TBIRD）的小型立方体卫星通过光通信链路与加利福尼亚州的地面接收器以高达100Gbps的速率传输了TB级数据，较传统上用于卫星通信的射频链路高1000多倍，也是截至目前从空间到地面的激光链路所能达到的最高数据速率。

2023年6月，美国NASA宣布其首个双向激光中继系统演示项目（LCRD）完成第一年在轨实验。LCRD将连续两年在运行环境中进行高数据速率激光通信，演示激光通信如何满足NASA对更高数据速率的不断增长的需求。同时，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。NASA相关负责人认为该技术可能将成为从太空发送和接收数据的未来技术手段。

此外，NASA 2022年还推进了另一个深空光通信DSOC飞行演示。空间和地面之间的通信将在近红外区域使用先进的激光器，在寻求在不增加质量、体积或功率的情况下，将通信性能提高10~100倍。

欧洲

欧洲在卫星中继领域已有成熟的激光通信应用。

欧洲数据中继系统EDRS基于GEO卫星平台建立的卫星中继平台，搭载了激光和Ka两种模式的通信载荷，通过该终端载荷连接低轨到高轨和高轨到地面的通信，可以为低轨卫星用户、航空用户、无人机用户和地面终端设备提供中继服务，其通信距离为4.5万千米。

2016年6月，EDRS-A采用了星间激光通信，信息速率为600Mbps，每天为40颗低高轨卫星提供中继服务。2019年8月，EDRS-C成功发射到地球静止轨道运行，其激光星间链路的实现终端架设于SmallGEO开发的平台上。预计于2025年补充的第三颗卫星EDRS-D的有效载荷将由三个下一代激光通信终端组成，以允许EDRS-D与多颗卫星同时通信。它将包含三组激光终端，预计实现高达8万千米的传输距离，可将亚太地区数据传到欧洲以实现全球数据中继服务。

德国TESAT公司推出了一系列激光终端可以适应多任务需求。对于近地轨道任务，TESAT推出了SmartLCT终端，它可以部署在更小、更轻的卫星上，从而节省大量的质量和空间。SmartLCT的数据传输距离长达4.5万千米，同时可提供1.8Gbps的高速数据传输，仅重约30kg。

在小卫星领域，TESAT的激光产品系列提供小质量的TOSIRIS和CubeLCT。它们分别以10Gbps或100Mbps的速度传输对地数据，其中TOSIRIS仅重8kg。通过激光终端构建地球数据骨干网，TESAT可以实现近乎实时的全球数据传输。

德国Mynaric公司推出CONDOR Mk3激光终端，可提供在7500千米距离上达到10Gbps的通信速率。终端设计寿命7年，较上一代产品的通信能力有大幅提升。

中国

我国空间激光通信技术的研究工作开始于20世纪90年代，主要研究卫星激光通信整机研制，高精度光学天线和跟瞄系统优化，激光器、光放大器和探测器等核心器件服务质量提高和模块化定制等技术难点。

作为国内第一次星地激光通信在轨技术试验，“海洋二号”卫星于2011年成功入轨，通过非相干通信，可以实现2000千米距离星地通信，最高通信速率可达504Mbps。

在此之后，“墨子号”量子卫星于2016年成功发射，通过相干调制方式实现了5.12Gbps的激光通信速率，能够支持具备高维图像和视频信息的加密传输。

2016年，“天宫二号”与新疆南山地面站成功实现了激光通信实验，其激光终端的数据下行速率为1.6Gbps。该载荷也首次实现了白昼激光通信，其载荷跟踪能力在白昼时与夜晚情况接近。

2017年，“实践十三号”卫星实现全球第一次同步轨道卫星与地面的双向高速激光通信，通信速率最高可达5Gbps，通信距离最高可以支持4.5万千米，刷新了当时国际高轨星地激光最高通信数据率。

2020年，“实践二十号”卫星与丽江地面站成功建立激光通信链路，实现从卫星到地面站最高10Gbps的下行传输速率，其他关键指标也已经对齐国际先进标准。

2023年6月，中国科学院空天信息创新研究院利用自主研制的500毫米口径激光通信地面系统，与长光卫星技术股份有限公司所属吉林一号MF02A04星成功开展星地激光通信试验，通信速率达到10Gbps，所获卫星载荷数据质量良好，可满足高标准业务化应用需求。

可以看出，中国在卫星激光通信领域的技术发展已与欧洲相当，但落后于美国。