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 原創(chuàng)

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

近年來，我國衛(wèi)星激光通信迎來快速發(fā)展：一方面，衛(wèi)星激光通信試驗取得重大突破。2020年，“實踐二十號”衛(wèi)星與麗江地面站成功建立激光通信鏈路，實現(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)對齊國際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)。

另一方面，資本市場對衛(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。公司已實現(xiàn)通信單元的在軌驗證。本輪融資距上一輪僅6個月，反映了一級市場對該項目和技術(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，微波通信也存在一些不足之處。一是長距離傳輸需要較高的功耗，傳輸速率也會受到限制。二是由于星際環(huán)境復(fù)雜多變，微波通信需要申請?zhí)囟ǖ念l段，避免與相鄰衛(wèi)星通信頻率重疊，以防止信號干擾。

相對而言，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產(chǎn)業(yè)鏈的催化，其優(yōu)勢為傳輸速率高、無頻段限制，且對其他任何星間通信不會造成干擾。

衛(wèi)星激光通信是利用激光作為信號載波，將語音和數(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際上完成在軌關(guān)鍵技術(shù)驗證，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。

對準(zhǔn)捕獲方式包括信標(biāo)光和非信標(biāo)光兩種?！靶艠?biāo)光+信號光”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不確定區(qū)域進(jìn)行掃描。終端使用大視場的捕獲探測器來監(jiān)測接收信標(biāo)光的質(zhì)心位置，以實現(xiàn)對信標(biāo)光的捕獲和跟蹤，進(jìn)而將信號光引導(dǎo)至跟蹤探測器接收視場，進(jìn)行精確跟蹤，最終實現(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，直接使用信號光進(jìn)行掃描，并通過對信號光進(jìn)行分光，實現(xiàn)光通信終端之間的捕獲和跟蹤功能。

非信標(biāo)光對準(zhǔn)示意圖

來源：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)勢和亟待突破的瓶頸

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

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，比微波高 3~5個數(shù)量級，可攜帶更多信息，加上波分復(fù)用等手段，未來可以以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（因此無需申請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：激光波長比微波波長小3~5個數(shù)量級，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；同時有助于數(shù)據(jù)流匯聚，進(jìn)而簡化衛(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)計成接近衍射極限，但同時給精確對準(zhǔn)帶來了困難。為了接收更多的能量信號，接收天線直徑越大越好，但這會增加系統(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)信號衰弱和延時等問題：衛(wèi)星距離地面的高度介于600千米~3.6萬千米。激光通信的實用化，仍面臨較大挑戰(zhàn)。尤其是環(huán)境對激光通信信號會有較大干擾。雖然激光通信不受電磁干擾，但大氣中的氣體分子、水霧、霾等與激光波長相近的粒子會引起光的吸收和散射，極大地妨礙、吸收光波的傳輸；同時，大氣湍流也會嚴(yán)重地影響到信號的接收。

全球衛(wèi)星激光通信發(fā)展概況

近年來，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，成為大國間博弈的熱點。

美國

2015年以來，美國已開展多項衛(wèi)星激光通信驗證、演示計劃和產(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Optical Communication and Sensor Demonstration（OCSD）衛(wèi)星驗證了微小衛(wèi)星可以通過激光星間鏈路實現(xiàn)高速率星地通信，打破了此前對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，分別驗證了衛(wèi)星對地面空間站可以通過激光星間鏈路實現(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，以提高精確測距和時間同步。

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NASA宣布其首個雙向激光中繼系統(tǒng)演示項目（LCRD）完成第一年在軌實驗。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對更高數(shù)據(jù)速率的不斷增長的需求。同時，LCRD的架構(gòu)將允許它作為空間中的測試平臺，用于開發(fā)額外的符號編碼、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)的未來技術(shù)手段。

此外，NASA 2022年還推進(jìn)了另一個深空光通信DSOC飛行演示?？臻g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)星平臺建立的衛(wèi)星中繼平臺，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現(xiàn)終端架設(shè)于SmallGEO開發(fā)的平臺上。預(yù)計于2025年補(bǔ)充的第三顆衛(wèi)星EDRS-D的有效載荷將由三個下一代激光通信終端組成，以允許EDRS-D與多顆衛(wèi)星同時通信。它將包含三組激光終端，預(yù)計實現(xiàn)高達(dá)8萬千米的傳輸距離，可將亞太地區(qū)數(shù)據(jù)傳到歐洲以實現(xiàn)全球數(shù)據(jù)中繼服務(wù)。

德國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)傳輸距離長達(dá)4.5萬千米，同時可提供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的速度傳輸對地數(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可以實現(xiàn)近乎實時的全球數(shù)據(jù)傳輸。

德國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)計壽命7年，較上一代產(chǎn)品的通信能力有大幅提升。

中國

我國空間激光通信技術(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。

作為國內(nèi)第一次星地激光通信在軌技術(shù)試驗，“海洋二號”衛(wèi)星于2011年成功入軌，通過非相干通信，可以實現(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”量子衛(wèi)星于2016年成功發(fā)射，通過相干調(diào)制方式實現(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”與新疆南山地面站成功實現(xiàn)了激光通信實驗， 其激光終端的數(shù)據(jù)下行速率為1.6Gbps。該載荷也首次實現(xiàn)了白晝激光通信，其載荷跟蹤能力在白晝時與夜晚情況接近。

2017年，“實踐十三號”衛(wèi)星實現(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4.5萬千米，刷新了當(dāng)時國際高軌星地激光最高通信數(shù)據(jù)率。

2020年，“實踐二十號”衛(wèi)星與麗江地面站成功建立激光通信鏈路，實現(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)對齊國際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)。

2023年6月，中國科學(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)，與長光衛(wèi)星技術(shù)股份有限公司所屬吉林一號MF02A04星成功開展星地激光通信試驗，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。

衛(wèi)星激光通信未來前景展望

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

應(yīng)用場景方面，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：能用于天文觀測，通過在地球表面搭建多個觀測站，利用激光光束與衛(wèi)星進(jìn)行通信，實現(xiàn)空間天文學(xué)的觀測和研究

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)移動通信受損等不足

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

2024-2027年中國衛(wèi)星激光通信終端市場規(guī)模預(yù)測（億元）
來源：太平洋證券