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

卫星载荷的重要环节——激光通信

01卫星激光通信技术

卫星通信： 包括电磁波通信——微波通信合太赫兹通信，以及光通信——激光通信和量子通信。太赫兹通信和量子通信技术及产业链尚不成熟，而微波通信长距离传输功耗高、需申请特定频段等缺点。激光通信因传输速率高、无频段限制、干扰小应用逐步增加。

卫星激光通信： 以激光作为传播媒介，在卫星地面站之间、卫星与卫星之间建立光通信链路，实现高速数据传输的一种宽带无线通信方式。

卫星激光通信分类： 按照传输信道划分，卫星激光通信系统可以分为在真空中传播的星间激光通信系统和在大气环境中传播的星地激光通信系统。星间激光通信场景包括卫星与卫星（包括深空）、飞船、空间站等之间的通信。星地激光通信场景即大气环境下进行的激光通信，主要包括卫星与地面、空中和海洋等终端的连接等。

卫星激光通信优势：

通信速率高： 传统微波通信载波频率在几GHz到几十GHz范围内，而激光载波频率具有数百THz量级，比微波高 3~5个数量级，可携带更多信息。

抗干扰能力强： 激光发散角窄、指向性好，没有卫星电磁频谱资源限制约束（因此无需申请空间频率使用许可证），发射信号不会产生电磁干扰，通信过程中不易受外界干扰，抗干扰能力强。

保密性好： 0.8~1.55μm波段属不可见光，通信时不易被发现，且激光发散角小、束宽极窄，在空间中不易被捕获，保证了激光通信所需的安全性和可靠性。

轻量化功耗低： 激光波长比微波波长小3~5个数量级，其收发光学天线、发射与接收部件等器件与微波所需器件相比，尺寸小重量轻集成度更高，具备小型化、轻量化、低功耗的特点。

建设成本节省： 通过激光通信建立星间激光链路，地面信关站建设需求大大减少；同时有助于数据流汇聚、简化卫星网络结构，多方面节省建设成本。

激光通信系统组成

激光通信终端主要包含：激光器及驱动、探测器及后放、主控单元、热控单元、快摆镜、通信系统、电源单元等组件。

•光天线伺服平台：捕获光束与误差信号，完成精准定位

•误差检测器：调整收发端，使光束对准

•控制计算机：误差信号计算

•光学平台：探测并确定信标光方位，给出误差信号

关键技术（收发光束的捕获 、 跟踪 、 瞄准为激光通信最关键的技术）：

•高功率光源与高码率调制技术

•高灵敏度抗干扰的光接收技术

•精密、可靠、高增益的收发天线

02 卫星激光通信产业链进展

美国：

星链——二代激光通信卫星已上天。 马科斯“星链”激光通信技术研发于2018年展开，至2019年下半年激光通信设备即升级迭代第3个版本。2020年9月，SpaceX宣布已在两颗“星链”卫星间测试了激光通信设备；2021年1月，首次在10颗极地轨道卫星中正式使用；2021年9月，装备激光通信设备的1.5版“星链”卫星开始发射；2023年10月，Starlink第二代激光通信星链卫星开始发射部署。

TBIRD： 2022年5月，搭载太字节红外传输器（TeraByte InfraRed Delivery，TBIRD）的小型立方体卫星通过光通信链路与加利福尼亚州的地面接收器以高达100Gbps的速率传输了TB级数据，较传统卫星通信射频链路高1000多倍。

NASA LCRD: 2023年6月，美国NASA宣布其首个双向激光中继系统演示项目（LCRD）完成第一年在轨实验。LCRD将连续两年在运行环境中进行高数据速率激光通信，演示激光通信如何满足NASA对更高数据速率的不断增长的需求。同时，LCRD的架构将允许它作为空间中的测试平台，用于开发额外的符号编码、链路和网络层协议等。NASA相关负责人认为该技术可能将成为从太空发送和接收数据的未来技术手段。

欧洲

ERDS： 欧洲数据中继系统EDRS基于GEO卫星平台建立的卫星中继平台，搭载了激光和Ka两种模式的通信载荷，2016年6月，EDRS-A采用星间激光通信，速率为600Mbps，每天为40颗低高轨卫星提供中继服务。2019年8月，EDRS-C成功发射运行，其激光星间链路的实现终端架设于SmallGEO开发的平台上。预计2025年补充的第三颗卫星EDRS-D的有效载荷将由三个下一代激光通信终端组成，以允许EDRS-D与多颗卫星同时通信，该载荷将包含三组激光终端，预计实现8万千米传输距离。

德国TESAT： 德国TESAT公司具备系类激光终端产品。近地轨道任务场景TESAT推出了SmartLCT终端，可以部署在更小、更轻的卫星上节省质量和空间。SmartLCT的数据传输距离长达4.5万千米，传输速率为1.8Gbps，重约30kg。小卫星领域TESAT激光产品包括小质量的TOSIRIS和CubeLCT，对地传输速度分别为10Gbps/100Mbps，其中TOSIRIS仅重8kg。

德国Mynaric： 德国Mynaric公司推出CONDOR Mk3激光终端，可在7500千米距离上提供10Gbps的通信速率，终端设计寿命7年。

中国：

试验进展： “海洋二号”卫星于2011年成功入轨，为国内第一次星地激光通信在轨技术试验，通过非相干通信可实现2000千米距离星地通信，最高通信速率可达504Mbps。2016年“墨子号”量子卫星于成功发射，通过相干调制方式实现5.12Gbps的激光通信速率，支持高维图像和视频信息的加密传输。2016年“天宫二号”与新疆南山地面站成功实现了激光通信实验， 激光终端的数据下行速率为1.6Gbps，首次实现白昼激光通信，载荷跟踪能力在白昼时与夜晚情况接近。2017年，“实践十三号”卫星实现全球第一次同步轨道卫星与地面的双向高速激光通信，通信速率最高5Gbps，通信距离可以支持4.5万千米。2020年，“实践二十号”卫星与丽江地面站成功建立激光通信链路，实现从卫星到地面站最高10Gbps的下行传输速率。2023年6月，中国科学院空天信息创新研究院利用自主研制的500毫米口径激光通信地面系统，与长光卫星技术股份有限公司所属吉林一号MF02A04星成功开展星地激光通信试验，通信速率达到10Gbps。

参与主体： 哈尔滨工业大学、中科院上海光机所、中国航天科技集团有限公司五院西安分院均已完成激光通信载荷的在轨验证。中科院长春光机所、中科院空天信息创新研究院、中科院上海技物所、中科院半导体所等单位也有布局，主要聚焦在光学天线、高精度跟瞄技术、激光器等核心价值环节。此外市场上也有诸多激光通信终端创业公司。

航天九院/704所： 据公开信息，九院704所研制的北斗三号关键载荷导航信号生成器和上行注入处理机、技术水平全国领先的激光星间链路终端 、链路跳扩频码设备等重要载荷，是北斗卫星系统的重要组成部分。并曾于第十三届中国国际航空航天博览会展出微小卫星激光通信终端 等产品。

03 卫星激光通信思考及展望

美国卫星颗数： 截至8月28日，星链累计发射卫星超5000颗，申报4.2万颗；此外美国SDA规划500颗规模卫星网络，由多个供应商提供小型卫星，通过光学激光链路相互连接，其中大约400颗为传输层卫星，100颗为跟踪层卫星。

价值量： 价值量方面，根据阶段不同，激光通信终端单价数十万到数百万美元不等。根据SpaceNews消息，9月29日，SDA与General Atomics签订价值1420万美元合同用以生产2个激光通信终端样品；2022年6月14日，BlueHalo 宣布赢得SDA1100 万美元合同，用以开发一对光学激光通信终端和一个在轨实验地面站。LCRD总工程师伯纳德·爱德华兹曾表示NASA 的 TeraByte InfraRed Delivery 立方体卫星地面到近地轨道光链路将使用价值 10 万美元的终端。2020年SDA传输层0批20颗卫星，其中10颗由约克系统空间公司承担，总价9400万美元。Mynaric和SA Photonics分别为约克提供14/20台激光通信终端设备，单价分别为43.66万美元/51.72万美元；洛马负责另外10颗卫星制造，由Tesat提供激光通信终端，报价58.47万美元，提供34台。

参照美国卫星市场来看，未来卫星激光通信终端市场空间巨大，随着我国低轨卫星建设逐步推进，国内卫星星座采用激光通信也同步步入加速放量阶段，关注核心院所如航天五院、九院及相关上市公司进展。

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