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。

Mate 60 Pro+上架秒光，华为为何频频强调卫星通信？

9月8日上午，没有预告，华为 Mate 60 Pro+ 和华为Mate X5在华为商城上架并开启预订，放出的预订数量被一扫而空。

此前8月29日，华为Mate 60和Mate 60 Pro手机也在华为商城突然上线，引发消费者抢购。

值得关注的是，华为强调了新品具有的卫星通信功能，其中，华为Mate 60 Pro支持卫星通话，华为称其为“全球首款支持卫星通话的大众智能手机”。华为Mate X5则支持双向北斗卫星消息。而华为 Mate 60 Pro+ 则具有双卫星通信功能，无地面网络时，仍可通过多种卫星系统与外界通信。包括卫星通话和卫星消息。

今年2月份，一位户外摄影师和两位驴友，深入内蒙古赤峰境内的贡格尔草原，途中意外遭遇大风雪天气导致一位队友李某走失。李某当时所处位置属于没有地面网络信号的偏僻区域。后来，其依靠华为Mate 50手机自带的北斗卫星通信功能，发送坐标信息给其队友，成功获救。

新京报贝壳财经记者从中国电信卫星通信公司一位工作人员处了解到，华为Mate 60 Pro支持的卫星通话业务需要去中国电信营业厅开通“手机直连卫星功能”，但是营业厅的这一业务目前还未开始正式办理，“需要再等几天营业厅才上架”。

卫星电话主要应用于户外应急

虽然华为称Mate 60 Pro是“全球首款支持卫星通话的大众智能手机”，不过有拿到新机的消费者发现，Mate 60 Pro包装盒上明确标注为“卫星移动终端”。这引发了不少人的好奇心。

中国电信卫星网厅在介绍其所售的卫星通信终端产品时表示，这类产品广泛应用于户外旅游、越野自驾、科考探险、徒步露营、应急救援等多种领域。

最新发布的华为 Mate 60 Pro+ 具有双卫星通信功能，无地面网络时，仍可通过多种卫星系统与外界通信。一是天通卫星通话功能，能拨打和接听卫星电话，还可自由编辑卫星消息。二是北斗卫星消息，能通过畅连应用发送或接收卫星消息，选择多条位置信息还可以生成轨迹地图。

华为用到的卫星通话功能是通过天通卫星实现的。新京报贝壳财经记者了解到，天通卫星业务是中国电信依托中国自主研发的“天通一号”卫星移动通信系统及网络，天通卫星已实现对中国领土、领海的通信网络全面覆盖，广泛应用于海洋渔业、应急救援、旅游探险、物联网等多个应用场景。

而“北斗卫星消息”则是基于北斗三号短报文通信服务开发。短报文通信是北斗系统区别于其他全球卫星导航系统独有的特色服务。服务覆盖中国及周边国家和地区。

卫星通信资费贵吗？

新京报贝壳财经记者从中国电信卫星通信公司一位工作人员处了解到，当前华为新款手机比如Mate 60 Pro支持的卫星通话业务其功能费为10元/月，而之后的通话语音费用等资费标准还未知。

该工作人员进一步告诉记者，此前用户想开通卫星通信功能，必须在电信营业厅

购买专门的卫星电话终端产品，以及办理专门的卫星电话卡。因为“普通手机号无法办理”，之前其它智能手机终端也不支持卫星通信功能。

记者注意到，电信卫星网厅显示，专门的卫星电话卡语音年套餐为1000元，包括国内通话750分钟/年，国内短信5条/年，短信月套餐为100元，包括每月300条短信，短信年套餐是1000元，包括国内短信 3600条/年。超出套餐的资费则为：国内通话 1.6元/分钟，主被叫双向收费；国内短信0.4元/条，接收免费；拨打国际电话和国际号码卫星电话按标准资费执行。

环球通信行业分析师马波认为，上述资费标准其实并不贵，他对新京报贝壳财经记者分析称，卫星通信业务的资费不能简单和日常通话资费比较。“更为关键的是以前要想实现卫星通话的功能，得先买个大几千的卫星终端。”

上述工作人员介绍称，华为新手机电信卡升级卫星通信功能的资费标准会与上述套餐标准不同，具体需要等营业厅上线后公布，华为新手机用户也可以通过购买电信营业厅专门的卫星电话卡来开通卫星通信功能。

记者在中国电信卫星网厅看到，专门的卫星电话终端产品价格在五千元左右。不过也有一款3999元的乐众LeSat B52卫星精灵，可以“为其它智能手机提供天通卫星接入能力的终端设备”，实现让所有智能手机都能拨打卫星电话和发送短信。该工作人员告诉记者，专门的卫星电话终端产品确实主要是户外人士以及应急救援人员购买较多。

市场规模或达109亿美元

一位商业航天人士对新京报贝壳财经记者分析称，由于天通一号卫星已经在天上运行几年了，所以目前这一卫星通信资费背后主要是卫星运营成本和终端服务成本。包括设备维护和人员工资等，“在运行卫星设计的寿命阶段内，有足够单量，才能降低边际成本。”

该人士对记者分析称，如果因为华为mate60 pro系列的出现，逐渐导致卫星互联网手机的普及，国家不得不发射更多通信卫星满足需求，那么后续类似产品则要为新卫星的发射付费。

国信证券此前报告指出，卫星互联网前景广阔。据信通院数据，预计2027年全球卫星通信终端市场规模达到109亿美元；卫星与手机直连成为发展热点，卫星通信作为蜂窝网 络的补充可以为运营商每年增加 4000 亿美元的收入。而低轨卫星是卫星通信产业发展模式重塑的重要支点，产业布局正不断加快。我国低轨卫星建设也已进入落地阶段。

上述商业航天人士告诉记者，华为手机卫星通信功能的上线，对整个商业航天领域是一个振奋人心的消息，因为这探索了下游商业应用的可能性。“商业航天目前发展壮大就卡在下游应用这方面”。

马波觉得其意义主要在于变卫星通信为消费级别的应用。“由于关键时刻的保命作用，会引发消费级别的应用人群。虽然卫星通话功能不是每个人这辈子必然会用到的功能，但大家在购买时会优先考虑支持该功能的手机终端，这将会倒逼手机厂商研发加速，逐渐成为国内智能手机的集中优势。而随着使用人群的增多，单价也会有一定程度地下降，卫星功能和覆盖也会大幅改善，形成良性循环。”

值得注意的是，今年2月份，在巴塞罗那开幕的世界移动通信大会（MWC）上，高通公司宣布，正与荣耀、Motorola、OPPO、vivo和小米等公司合作，支持厂商利用其此前发布的Snapdragon Satellite卫星通信技术开发具备卫星通信功能的智能手机。高通表示，一些安卓手机将在今年下半年前具备这些功能。

新京报贝壳财经记者 孙文轩

编辑 徐超

校对 柳宝庆

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