衛(wèi)星激光通信日漸火熱！一文帶你讀懂技術(shù)、機(jī)遇與挑戰(zhàn)

作者：梁張華物聯(lián)網(wǎng)智庫(kù) 原創(chuàng)

隨著數(shù)以千計(jì)的衛(wèi)星被送入軌道，衛(wèi)星激光通信技術(shù)日益受到重視，被視為一項(xiàng)關(guān)鍵使能技術(shù)。業(yè)界認(rèn)為其結(jié)合了無(wú)線電通信和光纖通信的優(yōu)點(diǎn)，具有帶寬高、傳輸快速便捷以及成本低等優(yōu)勢(shì)，是解決信息傳輸“最后一千米”的最佳選擇。

近年來(lái)，我國(guó)衛(wèi)星激光通信迎來(lái)快速發(fā)展：一方面，衛(wèi)星激光通信試驗(yàn)取得重大突破。2020年，“實(shí)踐二十號(hào)”衛(wèi)星與麗江地面站成功建立激光通信鏈路，實(shí)現(xiàn)從衛(wèi)星到地面站最高10Gbps的下行傳輸速率，其他關(guān)鍵指標(biāo)也已經(jīng)對(duì)齊國(guó)際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)。

另一方面，資本市場(chǎng)對(duì)衛(wèi)星激光通信的商業(yè)化前景看好。以衛(wèi)星激光通信企業(yè)「氦星光聯(lián)」為例，2023年4月，公司完成由永徽資本領(lǐng)投，紫金港資本、創(chuàng)享投資、嘉興黑盒以及老股東東證創(chuàng)新、杭州岙華聯(lián)合投資的第五輪融資。公司已實(shí)現(xiàn)通信單元的在軌驗(yàn)證。本輪融資距上一輪僅6個(gè)月，反映了一級(jí)市場(chǎng)對(duì)該項(xiàng)目和技術(shù)的認(rèn)可。

什么是衛(wèi)星激光通信？

衛(wèi)星的通信方式主要可分為2種：使用電磁波進(jìn)行通信，以及使用光進(jìn)行通信。進(jìn)一步細(xì)分，又可分為微波通信、太赫茲通信、激光通信和量子通信。

其中，太赫茲和量子通信或者相關(guān)技術(shù)仍不完善，或者器件的成熟度還未達(dá)到可工業(yè)使用的要求，目前距應(yīng)用仍有較大距離。

目前最成熟的通信方式是微波通信。微波通信在器件、算法等各方面的發(fā)展都已經(jīng)較為成熟。但同時(shí)，微波通信也存在一些不足之處。一是長(zhǎng)距離傳輸需要較高的功耗，傳輸速率也會(huì)受到限制。二是由于星際環(huán)境復(fù)雜多變，微波通信需要申請(qǐng)?zhí)囟ǖ念l段，避免與相鄰衛(wèi)星通信頻率重疊，以防止信號(hào)干擾。

相對(duì)而言，激光通信技術(shù)日益成熟，在星間通信中的使用逐步增多。激光通信受益于地面的光纖通信對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈的催化，其優(yōu)勢(shì)為傳輸速率高、無(wú)頻段限制，且對(duì)其他任何星間通信不會(huì)造成干擾。

衛(wèi)星激光通信是利用激光作為信號(hào)載波，將語(yǔ)音和數(shù)據(jù)等信息調(diào)制到激光上進(jìn)行傳輸?shù)姆绞健^(qū)別于微波通信，激光光束在空間中充當(dāng)信息的傳輸載體。按照激光傳輸環(huán)境的不同，衛(wèi)星激光通信分為兩類：一是真空環(huán)境下的激光通信，即星間激光通信，主要應(yīng)用于真空環(huán)境中的設(shè)備，如衛(wèi)星與衛(wèi)星、飛船、空間站等之間的通信；二是在大氣環(huán)境下進(jìn)行的激光通信，即星地激光通信，這種通信技術(shù)應(yīng)用比較廣泛，如用于衛(wèi)星與地面、海上用戶及空中飛行器的連接等。

衛(wèi)星激光通信的核心技術(shù)要素包括關(guān)鍵組件、通信體制和對(duì)準(zhǔn)捕獲方式。

其關(guān)鍵組件包括激光發(fā)射器、發(fā)射光學(xué)鏡頭、接收光學(xué)鏡頭、激光接收器、控制硬件等。

空間激光通信共有兩種最常用的通信體制：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國(guó)際上完成在軌關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，并開始了大規(guī)模的組網(wǎng)建設(shè)部署。相比之下，在工程應(yīng)用場(chǎng)景中，相干體制適用于鏈路距離較遠(yuǎn)且速率較高的情況，而非相干體制則適用于鏈路距離較近且速率較低的情況。

對(duì)準(zhǔn)捕獲方式包括信標(biāo)光和非信標(biāo)光兩種。“信標(biāo)光+信號(hào)光”捕獲方案是指激光通信終端使用單獨(dú)的信標(biāo)光。通過使用較寬的信標(biāo)光束按照一定的掃描方式對(duì)不確定區(qū)域進(jìn)行掃描。終端使用大視場(chǎng)的捕獲探測(cè)器來(lái)監(jiān)測(cè)接收信標(biāo)光的質(zhì)心位置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)信標(biāo)光的捕獲和跟蹤，進(jìn)而將信號(hào)光引導(dǎo)至跟蹤探測(cè)器接收視場(chǎng)，進(jìn)行精確跟蹤，最終實(shí)現(xiàn)激光建立通信鏈路。

“非信標(biāo)光”捕獲方案則是指在工作過程中不使用信標(biāo)光，直接使用信號(hào)光進(jìn)行掃描，并通過對(duì)信號(hào)光進(jìn)行分光，實(shí)現(xiàn)光通信終端之間的捕獲和跟蹤功能。

非信標(biāo)光對(duì)準(zhǔn)示意圖

來(lái)源：武鳳等《基于空間成像的衛(wèi)星光通信雙向捕獲技術(shù)》

衛(wèi)星激光通信的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和亟待突破的瓶頸

優(yōu)勢(shì)方面，衛(wèi)星激光通信采用高頻率激光作為載體，具有以下特點(diǎn)：

通信速率高：傳統(tǒng)微波通信載波頻率在幾GHz到幾十GHz范圍內(nèi)，而激光載波頻率具有數(shù)百THz量級(jí)，比微波高 3~5個(gè)數(shù)量級(jí)，可攜帶更多信息，加上波分復(fù)用等手段，未來(lái)可以以Tbps速率傳輸信息。

抗干擾能力強(qiáng)：激光具有較窄的發(fā)散角，指向性好，沒有衛(wèi)星電磁頻譜資源限制約束（因此無(wú)需申請(qǐng)空間頻率使用許可證），通信過程中不易受外界干擾，抗干擾能力強(qiáng)。

保密性好：衛(wèi)星激光通信波譜使用0.8~1.55μm波段，屬于不可見光，通信時(shí)不易被發(fā)現(xiàn)。而激光發(fā)散角小，束寬極窄，在空間中不易被捕獲，保證了激光通信所需的安全性和可靠性。

輕量化：激光波長(zhǎng)比微波波長(zhǎng)小3~5個(gè)數(shù)量級(jí)，激光通信系統(tǒng)所需的收發(fā)光學(xué)天線、發(fā)射與接收部件等器件與微波所需器件相比，尺寸小，重量輕，可滿足空間衛(wèi)星通信對(duì)星上有效載荷小型化、輕量化、低功耗的要求。

節(jié)省建設(shè)成本：通過激光通信建立星間激光鏈路，可以有效減少地面信關(guān)站的建設(shè)需求；同時(shí)有助于數(shù)據(jù)流匯聚，進(jìn)而簡(jiǎn)化衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而多方面節(jié)省建設(shè)成本。

瓶頸方面，激光通信技術(shù)也面臨著亟待突破之處：

接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)復(fù)雜：衛(wèi)星激光通信發(fā)散角小，需要光學(xué)系統(tǒng)以及高精度的跟瞄輔助機(jī)制完成建鏈。尤其是接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間的瞄準(zhǔn)非常困難?？臻g光通信系統(tǒng)要完成遠(yuǎn)距離衛(wèi)星間光信號(hào)的發(fā)射與接收，必須進(jìn)行遠(yuǎn)距離衛(wèi)星間或者空間站間目標(biāo)的捕獲與跟蹤，前者依賴于激光通信系統(tǒng)，后者取決于光學(xué)跟瞄系統(tǒng)（PAT）。

發(fā)射天線和接收天線的效率、精度、體積、重量和成本的平衡難度較高：出于獲取最小光斑的需求，發(fā)射天線可以設(shè)計(jì)成接近衍射極限，但同時(shí)給精確對(duì)準(zhǔn)帶來(lái)了困難。為了接收更多的能量信號(hào)，接收天線直徑越大越好，但這會(huì)增加系統(tǒng)的體積、重量和成本。提高接收靈敏度十分重要。

遠(yuǎn)距離傳輸容易出現(xiàn)信號(hào)衰弱和延時(shí)等問題：衛(wèi)星距離地面的高度介于600千米~3.6萬(wàn)千米。激光通信的實(shí)用化，仍面臨較大挑戰(zhàn)。尤其是環(huán)境對(duì)激光通信信號(hào)會(huì)有較大干擾。雖然激光通信不受電磁干擾，但大氣中的氣體分子、水霧、霾等與激光波長(zhǎng)相近的粒子會(huì)引起光的吸收和散射，極大地妨礙、吸收光波的傳輸；同時(shí)，大氣湍流也會(huì)嚴(yán)重地影響到信號(hào)的接收。

全球衛(wèi)星激光通信發(fā)展概況

近年來(lái)，由于星座網(wǎng)絡(luò)的戰(zhàn)略重要性日益凸顯，衛(wèi)星激光通信開始吸引大眾的視線，并且呈加速發(fā)展態(tài)勢(shì)，成為大國(guó)間博弈的熱點(diǎn)。

美國(guó)

2015年以來(lái)，美國(guó)已開展多項(xiàng)衛(wèi)星激光通信驗(yàn)證、演示計(jì)劃和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，在該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展走在全球前列。

SpaceX 2015年宣布開始布局 “星鏈”項(xiàng)目；2019年，正式將首批60顆衛(wèi)星發(fā)送入軌道，在星間采用衛(wèi)星光通信技術(shù)。大規(guī)模的衛(wèi)星激光通信技術(shù)得到采用，使衛(wèi)星激光通信正式向產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。

美國(guó)Optical Communication and Sensor Demonstration（OCSD）衛(wèi)星驗(yàn)證了微小衛(wèi)星可以通過激光星間鏈路實(shí)現(xiàn)高速率星地通信，打破了此前對(duì)激光星間通信在體積和質(zhì)量上的限制。OCSD-A星于2015年10月發(fā)射，OCSD-B/C星于2017年11月發(fā)射，分別驗(yàn)證了衛(wèi)星對(duì)地面空間站可以通過激光星間鏈路實(shí)現(xiàn)較高的通信速率。

類似地，麻省理工學(xué)院、佛羅里達(dá)大學(xué)和美國(guó)航空航天局埃姆斯研究中心聯(lián)合研制的立方衛(wèi)星激光紅外連接CLICK系統(tǒng)也用于驗(yàn)證星間、星地激光通信。CLICK系統(tǒng)可以展示低SWaP激光終端，能夠進(jìn)行全雙工高數(shù)據(jù)速率下行和星間連接，以提高精確測(cè)距和時(shí)間同步。

2022年5月，搭載太字節(jié)紅外傳輸器（TeraByte InfraRed Delivery，TBIRD）的小型立方體衛(wèi)星通過光通信鏈路與加利福尼亞州的地面接收器以高達(dá)100Gbps的速率傳輸了TB級(jí)數(shù)據(jù)，較傳統(tǒng)上用于衛(wèi)星通信的射頻鏈路高1000多倍，也是截至目前從空間到地面的激光鏈路所能達(dá)到的最高數(shù)據(jù)速率。

2023年6月，美國(guó)NASA宣布其首個(gè)雙向激光中繼系統(tǒng)演示項(xiàng)目（LCRD）完成第一年在軌實(shí)驗(yàn)。LCRD將連續(xù)兩年在運(yùn)行環(huán)境中進(jìn)行高數(shù)據(jù)速率激光通信，演示激光通信如何滿足NASA對(duì)更高數(shù)據(jù)速率的不斷增長(zhǎng)的需求。同時(shí)，LCRD的架構(gòu)將允許它作為空間中的測(cè)試平臺(tái)，用于開發(fā)額外的符號(hào)編碼、鏈路和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議等。NASA相關(guān)負(fù)責(zé)人認(rèn)為該技術(shù)可能將成為從太空發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的未來(lái)技術(shù)手段。

此外，NASA 2022年還推進(jìn)了另一個(gè)深空光通信DSOC飛行演示。空間和地面之間的通信將在近紅外區(qū)域使用先進(jìn)的激光器，在尋求在不增加質(zhì)量、體積或功率的情況下，將通信性能提高10~100倍。

歐洲

歐洲在衛(wèi)星中繼領(lǐng)域已有成熟的激光通信應(yīng)用。

歐洲數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)EDRS基于GEO衛(wèi)星平臺(tái)建立的衛(wèi)星中繼平臺(tái)，搭載了激光和Ka兩種模式的通信載荷，通過該終端載荷連接低軌到高軌和高軌到地面的通信，可以為低軌衛(wèi)星用戶、航空用戶、無(wú)人機(jī)用戶和地面終端設(shè)備提供中繼服務(wù)，其通信距離為4.5萬(wàn)千米。

2016年6月，EDRS-A采用了星間激光通信，信息速率為600Mbps，每天為40顆低高軌衛(wèi)星提供中繼服務(wù)。2019年8月，EDRS-C成功發(fā)射到地球靜止軌道運(yùn)行，其激光星間鏈路的實(shí)現(xiàn)終端架設(shè)于SmallGEO開發(fā)的平臺(tái)上。預(yù)計(jì)于2025年補(bǔ)充的第三顆衛(wèi)星EDRS-D的有效載荷將由三個(gè)下一代激光通信終端組成，以允許EDRS-D與多顆衛(wèi)星同時(shí)通信。它將包含三組激光終端，預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)高達(dá)8萬(wàn)千米的傳輸距離，可將亞太地區(qū)數(shù)據(jù)傳到歐洲以實(shí)現(xiàn)全球數(shù)據(jù)中繼服務(wù)。

德國(guó)TESAT公司推出了一系列激光終端可以適應(yīng)多任務(wù)需求。對(duì)于近地軌道任務(wù)，TESAT推出了SmartLCT終端，它可以部署在更小、更輕的衛(wèi)星上，從而節(jié)省大量的質(zhì)量和空間。SmartLCT的數(shù)據(jù)傳輸距離長(zhǎng)達(dá)4.5萬(wàn)千米，同時(shí)可提供1.8Gbps的高速數(shù)據(jù)傳輸，僅重約30kg。

在小衛(wèi)星領(lǐng)域，TESAT的激光產(chǎn)品系列提供小質(zhì)量的TOSIRIS和CubeLCT。它們分別以10Gbps或100Mbps的速度傳輸對(duì)地?cái)?shù)據(jù)，其中TOSIRIS僅重8kg。通過激光終端構(gòu)建地球數(shù)據(jù)骨干網(wǎng)，TESAT可以實(shí)現(xiàn)近乎實(shí)時(shí)的全球數(shù)據(jù)傳輸。

德國(guó)Mynaric公司推出CONDOR Mk3激光終端，可提供在7500千米距離上達(dá)到10Gbps的通信速率。終端設(shè)計(jì)壽命7年，較上一代產(chǎn)品的通信能力有大幅提升。

中國(guó)

我國(guó)空間激光通信技術(shù)的研究工作開始于20世紀(jì)90年代，主要研究衛(wèi)星激光通信整機(jī)研制，高精度光學(xué)天線和跟瞄系統(tǒng)優(yōu)化，激光器、光放大器和探測(cè)器等核心器件服務(wù)質(zhì)量提高和模塊化定制等技術(shù)難點(diǎn)。

作為國(guó)內(nèi)第一次星地激光通信在軌技術(shù)試驗(yàn)，“海洋二號(hào)”衛(wèi)星于2011年成功入軌，通過非相干通信，可以實(shí)現(xiàn)2000千米距離星地通信，最高通信速率可達(dá)504Mbps。

在此之后，“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星于2016年成功發(fā)射，通過相干調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)了5.12Gbps的激光通信速率，能夠支持具備高維圖像和視頻信息的加密傳輸。

2016年，“天宮二號(hào)”與新疆南山地面站成功實(shí)現(xiàn)了激光通信實(shí)驗(yàn)， 其激光終端的數(shù)據(jù)下行速率為1.6Gbps。該載荷也首次實(shí)現(xiàn)了白晝激光通信，其載荷跟蹤能力在白晝時(shí)與夜晚情況接近。

2017年，“實(shí)踐十三號(hào)”衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全球第一次同步軌道衛(wèi)星與地面的雙向高速激光通信，通信速率最高可達(dá)5Gbps，通信距離最高可以支持4.5萬(wàn)千米，刷新了當(dāng)時(shí)國(guó)際高軌星地激光最高通信數(shù)據(jù)率。

2020年，“實(shí)踐二十號(hào)”衛(wèi)星與麗江地面站成功建立激光通信鏈路，實(shí)現(xiàn)從衛(wèi)星到地面站最高10Gbps的下行傳輸速率，其他關(guān)鍵指標(biāo)也已經(jīng)對(duì)齊國(guó)際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)。

2023年6月，中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院利用自主研制的500毫米口徑激光通信地面系統(tǒng)，與長(zhǎng)光衛(wèi)星技術(shù)股份有限公司所屬吉林一號(hào)MF02A04星成功開展星地激光通信試驗(yàn)，通信速率達(dá)到10Gbps，所獲衛(wèi)星載荷數(shù)據(jù)質(zhì)量良好，可滿足高標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)化應(yīng)用需求。

可以看出，中國(guó)在衛(wèi)星激光通信領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展已與歐洲相當(dāng)，但落后于美國(guó)。

衛(wèi)星激光通信未來(lái)前景展望

衛(wèi)星激光通信已顯示出應(yīng)用場(chǎng)景廣泛、市場(chǎng)潛力巨大的樂觀前景。

應(yīng)用場(chǎng)景方面，除了在軍事通信領(lǐng)域作用重大，可以建立軍事通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信和機(jī)密通信等以外。在如下民用領(lǐng)域衛(wèi)星激光通信開始顯現(xiàn)出良好的應(yīng)用潛力：

互聯(lián)網(wǎng)通信：可支持建立全球范圍的互聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，為各種應(yīng)用提供高速的互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)

海洋通信：可在海洋上建立通信網(wǎng)絡(luò)，為海上作業(yè)、船舶通信等提供穩(wěn)定的通信服務(wù)

天文觀測(cè)：能用于天文觀測(cè)，通過在地球表面搭建多個(gè)觀測(cè)站，利用激光光束與衛(wèi)星進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)空間天文學(xué)的觀測(cè)和研究

應(yīng)急通信：可在抗震救災(zāi)、突發(fā)事件等緊急情況下，彌補(bǔ)移動(dòng)通信受損等不足

市場(chǎng)前景方面，根據(jù)太平洋證券預(yù)測(cè)，我國(guó)2027年衛(wèi)星激光通信終端市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到130.38億元，2024-2027年間CAGR將達(dá)68.4%。

2024-2027年中國(guó)衛(wèi)星激光通信終端市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)（億元）
來(lái)源：太平洋證券