卫星间的光链路通信技术：最新的前沿通信技术介绍

题记：着眼于广泛的互联网接入和防御，许多航天机构和公司已经将目光投向了用于卫星到卫星通信的激光通信系统。

光学和激光技术的创新开创了低地球轨道（LEO）卫星通信的爆炸式增长时代，其应用范围从宽带互联网到弹道导弹探测应用等。

自1990年代末以来，全球对数据的需求以惊人的速度增长。从在线游戏到高分辨率信息娱乐系统，消费者对低延迟、高吞吐量连接的需求一直永无止境。

但是，推动这种数据需求的不仅仅有消费者;也包括政府和国防机构的需求。在当今快速发展的地缘政治局势中，军方寻求快速准确的威胁探测能力。为了满足这一需求，低地球轨道（LEO）卫星星座通信在连接当今世界的方方面面发挥着越来越重要的作用。

LEO星座需要减少延迟

虽然卫星通信技术几十年来在通信基础设施中发挥了关键作用，但近年来对低地轨道"星座"通信系统进行了大量投资。一个低等轨道星座——比如SpaceX的Starlink——由数十颗甚至数百颗相互通信并将信息传输到地面的卫星组成。

近低地球轨道通常被定义为距离地球表面不到1000公里的轨道。与地球相对静止的地球轨道（GEO）和中地球轨道（MEO）卫星系统相比，低地轨道系统的主要优点是它们靠近地球，而这种接近度降低了信号到地面的传播延迟。

LEO，MEO和GEO卫星相对于地球位置的比较

此外，低地轨道系统中的卫星通常比地球静止轨道或MEO系统中的卫星更近。这意味着在LEO卫星之间传输光学数据所需的硬件可以更小，功耗更低。除了SpaceX之外，总部位于英国的OneWeb Technologies公司也发射了几百颗LEO卫星。Starlink和OneWeb的星座都旨在在全球范围内提供宽带互联网接入。

光学通信提高传输吞吐量

虽然射频（RF）技术历来用于卫星间通信，但现代卫星越来越多地使用基于激光的（光学）技术来使相互之间进行通信。

基于激光的技术有两个主要优点。首先，由于红外激光波的频率高于无线电波（意味着更短的波长），因此它们可以将更多信息打包到单个传输中。其次，与无线电波相比，激光在长距离上的色散较小。这意味着它们更难拦截，而这种传播特性增加了数据传输的安全性。

无线电波和红外激光之间的波长比较

卫星之间的光通信剖析

用于卫星间通信的光学系统由三个关键组件组成：接收器（RX），发射器（TX）和用于输出和传入激光束的放大倍率和方向的望远模块（telescopic module）。

在发射器中，电数据信号通过光参考和调制器转换为光域信号。在接收器中，望远模块（telescopic module）用于聚焦入射光束，并通过将其与馈送到本地振荡器的伪随机噪声序列相结合，将其转换为电信号。反馈环路用于确保本地振荡器保持与传输的传入数据具有相同的相位和频率。这在概念上类似于锁相环（PLL），而后者是许多电子电路中的基本组件。

用于空间通信的光收发系统框图

由于基于激光的通信是点对点的，因此在卫星星座系统中集成跟踪机制也是必不可少的。这样，发射卫星就可以定位接收卫星。这在技术上被称为采集和跟踪系统。

粗定位系统（CPS）将发射/接收光学系统定位到正确传输和接收光信号所需的大致位置。精细定位系统（FPS）定位系统，因此可以建立和维护激光通信链路。

上图显示了采集、粗指向和精细指向的流程图

同时，光传输系统和跟踪系统协同工作，在卫星之间建立通信链路。

用于卫星的光子IC获得牵引力

随着LEO卫星系统获得市场牵引力，基于微型光子集成电路（PIC）的光通信解决方案也随之获得牵引力。2018年，Tesat发布了世界上最小的CubeSats激光通信终端之一，名为CubeL。几年后的2021年，Tesat宣布成功测试ConLCT80，这是一款微型光通信终端，适用于美国政府项目。

Tesat ConLCT80，用于光卫星通信的微型激光通信终端

此外，目前正在对基于PIC的解决方案进行研究，以解决卫星间光通信挑战。PIC是在光域中工作的电路。根据UCSB的研究人员的说法，与传统系统相比，基于PIC的激光器具有更低的成本，尺寸，重量和功率。使用紧凑型掺铒光纤放大器（EDFA），基于PIC的光学激光器系统可以小至6 mm。

基于PIC的光通信系统采用紧凑型EDFA

由于太空中的极端环境条件，这些PIC必须像电气对应物一样具有耐辐射性。例如，NeoPhotonics Corporation最近宣布了一种耐辐射、可调谐激光器，用于LEO卫星系统。

卫星间通信的未来

由于基于激光的卫星间通信系统已经部署在LEO星座中，很明显该技术将继续存在。除了通过Starlink和OneWeb Technologies的星座提供互联网宽带接入外，政府和国防承包商还热衷于部署自己的光学LEO卫星网络。

美国航天发展署计划部署自己的低地轨道星座，配备各种军事用途的传感器。此外，该机构计划与L3Harris Technologies和SpaceX合作，使用LEO星座实现先进的导弹跟踪能力。

100公里！我国科学家创造量子直接通信最远纪录

新华社北京4月13日电（记者张漫子）记者12日从北京量子信息科学研究院获悉，北京量子信息科学研究院科研副院长、清华大学理学院物理系教授龙桂鲁团队与清华大学电子工程系教授陆建华团队合作设计了一种相位量子态与时间戳量子态混合编码的量子直接通信新系统，成功实现100公里的量子直接通信。这是至今为止世界上最长的量子直接通信距离。

“量子原理能够用于感知窃听。”龙桂鲁介绍，量子直接通信以量子态作为载体来编码和传输信息。量子直接通信改变了传统保密通信的双信道结构，将噪声信道下的可靠通信发展为噪声和窃听信道下的可靠和安全通信，不仅能够感知窃听，还能够阻止窃听。

这一突破能够实现无中继条件下部分城市与城市之间的点对点量子直接通信。龙桂鲁说：“无中继长距离量子直接通信的意义在于，可满足一些无法进行中继的场景的量子直接通信，如星地之间的量子直接通信。此外，当通信速率满足要求时，长距离通信可减少中继数量，降低链路节点的部署成本，降低通信延时，提升通信性能，优化用户使用体验。”

北京量子信息科学研究院相关负责人介绍，龙桂鲁与其博士生刘晓曙于2000年提出量子直接通信的首个协议。2016年至2017年间，国内多所高校的科研团队分别合作完成了龙桂鲁等提出的基于单光子和基于纠缠的量子直接通信协议的原理演示实验。2019年，龙桂鲁团队与陆建华团队合作，成功研制了量子直接通信系统，实现1.5公里光纤距离下50比特每秒的安全通信速率。2020年，他们发布实用化量子直接通信样机，实现了10公里光纤中4千比特每秒的传输速率。同年，他们将通信距离提升至18公里。

龙桂鲁团队与陆建华团队近日设计并实现的量子直接通信新系统，使量子直接通信距离首次达到100公里，不仅可在无中继条件下实现部分城市之间的点对点量子直接通信，还可支撑基于安全经典中继建立的广域量子网络的一些应用。相关成果已发表在《光：科学与应用》期刊。

此前公开发表的成果中，量子直接通信的最长距离为18公里。

来源： 新华网

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