激光如何抢占通信领域的先机？

出 品：科普中国

作 者：兰顺正

策 划：宋雅娟 涂子怡

监 制：光明网科普事业部

近日，在佛罗里达州卡纳维拉尔角肯尼迪航天中心，通用原子电磁系统公司与美国国防部太空发展局利用SpaceX公司“猎鹰9号”商业火箭将激光互联网络通信系统（LINCS）卫星发射到指定轨道。

独树一帜的激光通信

激光作为一种新型光源，具有亮度高、方向性强、单色性好、相干性强等特征，激光通信则是利用激光来作为信息的载体。与传统的无线电通信相比，卫星激光通信具有许多独到之处：

首先激光载波频率具有数百 THz量级，比载波频率在几 GHz 到几十 GHz 范围内的传统无线电通信高 3~5 个数量级，可携带更多信息，通信速率更高。其次激光发散角小，束宽极窄且指向性好，在空间中不易被捕获。在进行激光通信时，设备必须位于狭窄的光束之内，才能接收到较为清晰的信号，因此可以利用激光进行两点之间的高度保密通信，也可以建立防拦截激光通信网络，进行多点保密通信，通信过程中不易受外界干扰，拥有更好的安全性和可靠性。同时激光波长比无线电波长小 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无线电所需器件相比，尺寸小、重量轻，可满足小型化、轻量化、低功耗的要求。

激光通信是未来通信技术发展的重要方向之一

虽然激光通信也存在着一定的局限性。如与微波通信相比，激光通信的成本较高；激光在大气传输的过程中，会被雪雾和雨水大大衰减而影响通信的质量；且激光束极高的方向性也导致对设备的稳定性和精度提出很高的要求。但是总体来说，激光通信必将在军事领域以及未来空间高速数据传输方面得到广泛的应用，这已经成为国际上的共识及趋势。此前美国太空发展局局长德里克·图尔尼尔就曾说过，激光通信可以带来“高带宽、低延时、信号干扰概率低的通信网络，适用于任何平台，无论是在水面上，船上，还是在空中”。

“大国竞争”的助力

其实美国等国家在很早之前就已经率先开展卫星激光通信技术研究，如在 1968 年美国 NASA 戈达德太空飞行中心的科研人员就曾将一束激光从地面站发送至近地轨道卫星 GEOS⁃II，进行激光传输实验，分析了大气湍流对激光信号传输的影响；1985年美方又运用高精度跟瞄技术建立了稳定的激光通信链路。而在2013 年，美国月球激光通信演示验证项目成功实施，为其卫星激光通信发展奠定了深厚技术基础。

无线电通信易受到对方电子战部队的干扰

这些年美国重回“大国竞争”，因此为应对同级别的对手，美军对于通信安全的要求也骤然加强。美军认为，当前各类武器系统都依靠无线电信号通信，而这也是一些自动功能的基础，自动功能虽可以提升武器的防御力，但无线电信号很容易被“黑客入侵”。根据华盛顿的说法，俄罗斯在研制电子战系统方面取得了重大进展。五角大楼联合人工智能中心最近发布报告说：“俄罗斯军队的技术比美国更先进，而且正在迅速发展人工智能，以获得战场信息优势”。在这种情况下，激光通信就成为美军的关注重点之一。

据报道，此次是美国国防部太空发展局自2019年成立以来第一次发射卫星。激光互联网络通信系统由12颗微型 “立方卫星”（CubeSats）组成，每颗卫星载有一个C波段双波长全双工光通信终端(OCT)和一个红外（IR）有效载荷，所有部件均有原子电磁系统公司圣地亚哥生产厂设计和制造，目前已有两个卫星进入轨道开始调试运行。据分析，美国军方和通用原子公司将试图改变通信方式，欲抢在俄罗斯等国前面占得卫星激光通信的先机。通用原子电磁系统集团总裁斯科特·福尼表示，未来是光通信的天下，即将开展的实验标志着通信“进化”的开端。

军事小词典

激光通信原理：在利用激光进行通信时，技术人员需要首先将各种形式的信号转变为调制光束。在接收站，技术人员需要用激光接收装置接收调制光束，并进行解调，从而将所需信号与激光束（载波）分离，与信号强度相关的输出电流将被逐级放大，然后被输送到扬声器或其他装置。

来源： 科普中国-军事科技前沿

美国军用卫星遭遇网络攻击，黑客上演太空“珍珠港”威胁加大

2031年12月7日清晨，美国空军航天司令部某指挥所的士兵和往常一样工作着，突然屏幕显示太空中的一些卫星开始变轨，与其他卫星相撞，还有一些卫星工作异常，下传异常信息或提供错误导航信息……这只是一个虚构的事件，但却是美国军队担心可能发生的太空“珍珠港”事件。

美军的担心并非杞人忧天，现实中的网络攻击卫星事件已经在上演。美国著名网络安全公司赛门铁克（Symantec）20日表示，该公司基于人工智能的网络安全监控工具最近发现，黑客组织正在针对美国和东南亚国家的卫星通讯、电信、遥感成像服务和军事系统进行网络攻击。

赛门铁克的声明说，黑客组织这次对电信部门和卫星操作系统的袭击行动显示，黑客可以拦截甚至篡改网络运营机构传输给用户的通信。

“高高在上”的卫星易受网络攻击

赛门铁克公司在一份声明中称，该公司自2013年开始追踪这一取名为“特里普”的黑客组织。声明说，赛门铁克基于人工智能的“针对性攻击分析”（Targeted Attack Analytics，TAA）工具在2018年1月发现，一些来自若干地区的计算机展开了针对卫星系统的恶意攻击行动。

赛门铁克公司认为，这一组织的袭击属于网络间谍行为，但暴露了他们破坏袭击目标的操作系统的策略。赛门铁克公司称，因此可以判定，该组织可以对目标采取更具进攻性和破坏性的行动。

在很多人眼里，只有那些反卫星导弹、激光和航天器才能对“高高在上”的卫星构成威胁，但现实是对卫星构成威胁的还有“看不见”的网络攻击。中国网络空间战略研究所所长秦安向澎湃新闻（www.thepaper.cn）表示，事实上，网络攻击已经远远超出了很多人认为的计算机攻击，网络已经成为一个网络空间，不仅可以攻击常见的计算机，还可以攻击卫星、电力设施等。

“卫星运行会与地面联系，地面会发送指令给卫星，卫星也会向地面传输信息，地面与卫星通过通信链路进行联系，所以卫星整个系统也是一个网络空间，存在被网络攻击的可能性。”秦安说。

据“关心外空科学家联盟”统计，太空中有1300多颗卫星在运行，包括军事、民用和商用应用等不同用途的卫星。其中，美国拥有大多数，达549颗卫星，中国有200颗，俄罗斯有135颗。同时，超过60个国家正在投入长期的空间项目。

近年来，不少智库和军事专家都对航天系统面临的多种多样卫星网络威胁发出警告。这些威胁可能包括使用无法检测的远程接入软件后门程序、不安全软件的泛滥、无保护的协议和使用未加密的通道。

相较于传统反卫星中采用硬杀伤的手段，使用网络攻击卫星有三点关键优势：一是攻击不会造成外太空不可控的太空碎片；二是对卫星实施网络攻击成本低，而且如果手段高超，可以做到“神不知鬼不觉”；三是对卫星进行网络攻击风险较小，平时的攻击可以扰乱对手的太空活动，削弱其情报、监视和导弹预警等能力。

撰写网络安全与太空政策报告的美国印第安纳大学（Indiana University）法学教授戴维·菲德勒表示，美军和私营企业如今极度依赖卫星技术，但国际社会均不够重视可能发生的太空网络攻击。

美国正加紧提升卫星防御能力

庞大的卫星群是美军太空中的重要基础设施，各种不同用途的卫星为美军提供侦察、导弹预警、导航、通信和气象保障等信息支援，是美军打胜仗的关键。但由于卫星网络攻击技术的兴起，这些卫星不再高枕无忧。

“卫星网络攻击的门槛很低，这点是最大的威胁。以往只有军事强国才具备研制反卫星导弹、激光等反卫星武器，这样的强国屈指可数。”军事专家韩东向澎湃新闻表示，“而卫星网络攻击，不仅国家可以实施，恐怖分子或黑客组织也具备这样的能力。”

目前，为了确保太空卫星的安全，美国正积极提升卫星的防御能力，这些防御能力包括反制网络攻击、抗干扰等。“卫星网络攻击不仅可以攻击卫星本身，还可以攻击地面支持卫星运行的设施。因此，卫星和地面设施都要加强防御能力，这样才能达到更好的效果。”秦安告诉澎湃新闻。

2015年，由于担心美国军用卫星抵御袭击的能力日益薄弱，五角大楼计划到2020年，拿出50亿美元用于新的卫星防御项目。五角大楼负责太空政策的官员道格拉斯·洛韦罗说：“我们知道威胁正在增加。我们已得出结论，我们需要向前进，投入更多以保证我们的太空力量在需要的时候能发挥作用。”

美国官员希望，通过50亿美元的支出，可以使美国的导航和通信卫星具有更强的抗干扰能力。

美国国防部2018年4月24日发布的一项信息请求（RFI）显示，随着美国国防部计划将廉价的近地轨道卫星用于国防部的太空计划，美国国防部高级研究计划局（DARPA）希望收集信息，探究如何将安全性纳入这些卫星当中。DARPA正在探索卫星技术架构（从开发到报废）各个方面的网络安全创新，比如自动检测并响应恶意网络事件、通信链路加密等。

近期，美国军方官员再次强调确保卫星网络安全的重要性。美国防务新闻网站5月17日报道称，在近期举行的第三十四届国家空间安全（美国）研讨会上，美国空军部长希瑟·威尔逊表示，美国将采取措施，与盟国、商业航天公司和国际组织合作，确保卫星网络的安全。

“美国积极提升卫星防御能力目的依然是为了保护自己的太空资产，保持太空优势。”韩东说。

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