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。

由3小时缩至5分钟 ！智能光纤管理系统精准“把脉”定位通信光缆故障点

来源：【昆明日报-掌上春城】

掌上春城讯 “220千伏梨花变至220千伏青山变光路异常，智能光纤管理系统网管显示距220千伏梨花变3.86千米处光缆中断，请派人核实抢修。”近日，南方电网云南昆明供电局电力调度控制中心通信调度班值班长范志扬向光缆运维单位发布了抢修通知。收到通知，运维人员迅速前往现场核实，精准定位故障点，迅速开展抢修工作。这是昆明供电局使用智能光纤管理系统在线监测、处理光缆故障的一个工作场景。

“以往通信光缆出现问题时，首先需要抢修人员到变电站人工测试光缆，进行故障定位，其次再到线路上查找故障点进行光缆熔接，现在依靠智能光纤管理系统精准‘把脉’，抢修人员第一时间便能赶到现场抢修，大幅提升了工作效率。”昆明供电局电力调度控制中心通信室主管潘江灏介绍。 通信光缆作为电网的重要信息传输载体，是电网的“脉络”，承载着电力系统继电保护、稳控、自动化、计量及综合数据网等众多业务，但光纤的自身老化、外力破坏、小动物啃咬以及光缆覆冰、山火等因素，往往会造成光缆纤芯衰减增大甚至断裂，从而影响电网业务的正常运行。

为及时发现光缆存在的隐患及快速定位故障，实现足不出户对光缆运行情况了如指掌，昆明供电局以承载网、省级电网业务的光缆为建设试点，构建了智能光纤管理系统。该系统通过将OTDR探测信号调制在光监控信号中，利用光纤瑞利散射及菲涅尔反射原理探测光纤损耗变化的大小及位置，并将探测数据上报至网管平台，网管通过图形化界面显示出检测结果，由此实现对光缆实时运行状态的在线监测。 2023年12月该系统投入使用，运行半年来，实现了对辖区内48条重要光缆的实时在线监测，可以在光缆遇到故障中断前采取有效措施，避免业务中断，减少事故的发生。而当光缆中断后，又可实现对光缆故障位置进行定位，极大地缩短故障处理时间。截至目前，该局已使用智能光纤管理系统定位辖区内光缆故障点10余处，定位时长由原来的3小时缩短至5分钟左右，定位准确率100%。此外，电力通信光缆故障平均抢修恢复时长也由原来的6小时缩短至3小时。

接下来，昆明供电局将继续把科技手段与光缆巡视、故障处理紧密结合起来，解决传统人工巡视、测试等薄弱问题，争取实现光缆网络的全资源、全过程精细化管理，以“智能运维”代替“人工运维”，进一步提升通信光缆运维效率，为电网数字化转型提供技术支撑。

昆明日报全媒体记者：缪亚平

通讯员：宗碧 张昕霞

责编：何葭凝

编审：吴晨萍

终审：周健军

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