激光通信的技术趋势及应用前景分析

据测算，到2027年中国“GW”激光载荷市场规模将达约800亿。

激光通信的技术发展趋势

激光通信的通信容量大，也即是传输速率更快。激光的频率比微波要高许多，作为通信的载波有更宽的利用频带。目前无线激光通信工作频段主要在365～326THz（对应波长范围光波长范围多在820nm～920nm），设备间无射频信号干扰。

从现有技术来说，光波作为信息载体可传输达10Gbit/s的数据码率，采用名为波分复用技术的方法还能进一步提高（将两种或多种不同波长的光载波信号在发送端经复用器汇合在一起，传输后在接收端经分波器将各种波长的光载波进行分离并恢复信号）。

激光通信的可靠性高，且保密性好。激光作为光源的发散角很小，能量集中在很窄的光束中。这意味着和邻近卫星间的通信干扰将会减小，避免了相互影响冲突，稳定性增强，也就是所谓的可靠性高。而且这样的光束具有高度的定向性，纤细而集中的发射波束指向接收机，可有效的提高抗干扰、防窃听的能力，除非其通信链路被截断，否则数据不易外泄，保密性好。

激光通信技术结合了无线电通信和光纤通信的优点，以激光为载波进行通信。激光通信技术具有抗干扰能力强、安全性高、通信速率高、传输速度快、波段选择方便及信息容量大的优势，其特点是系统体积小、重量轻、功耗低、施工简单、灵活机动，在军事和民用领域均有重大的战略需求与应用价值。

激光通信相关的设备体积小、质量轻、功耗低。激光的光束集中且携带信息量大，激光通信的能量利用率高，落在接收机望远镜天线上的功率密度高，发射机的功耗低，发射功率也可大大降低，所以发射设备及其供电系统可以做的体积更小、重量更轻，更加便于卫星等空间探测器携带。

另一方面，激光的波长短、穿透力强，方向性好且能量集中，这些优点也使得接收望远镜口径可以减小，摆脱了无线电波通信系统巨大的碟形天线，接收系统也可以做的体积更小、重量更轻。这些也使得激光通信相关系统、设备的建造和维护费用相对低廉。

表一：各种通信方式特点对比

（资料来源：公开资料）

激光通信的技术趋势就是向高速率、网络化、多用途以及一体化发展。

1、高速率

随着空间激光通信高速调制解调和传输技术的快速发展，未来星地激光通信链路速率有望达到100Gb/s量级。高速激光通信采用高阶调制方式如正交相移键控（QPSK）、正交振幅调制（QAM）和复用方式如波分复用（WDM）、时分复用（TDM）、轨道角动量复用（OAM），短距离（<1km）速率可达Tb/s量级。

2、网络化

随着全球化和信息技术的发展，亟需建设具有不依托地面网络、无缝覆盖全球、高带宽和抗毁性能的空间网络。因此，依托空间激光通信技术实现的天基宽带传送网络是今后发展的重要趋势。

空间激光通信技术逐渐从点对点模式向中继转发和构建激光网络的方向发展。由于激光网络建设的主要难点在于激光发散角小、光信号动态接入以及受空间环境影响大等，因此构建激光通信网络时，需突破“一对多”的激光通信技术难题、研究动态路由解决接入方案、寻求激光通信和微波联合通信体制。长春理工大学提出的采用旋转抛物面结构设计一点对多点光学收发天线，实现多颗卫星间激光通信组网，光学原理简单，是探索解决这一难点的重大突破。

3、多用途

随着空间激光通信技术的逐渐成熟，空间激光通信的高调制速率、远传输距离和低能耗的优点逐渐凸显。目前，空间激光通信技术已广泛应用于星间、星空、空空、空地等链路的宽带数据传输，并逐渐向深空探测、水下和地面接入通信扩展，用途越来越广。

深空探测是人类对月球、远距离天体或空间开展的探测活动，是了解太阳系及宇宙，揭示宇宙起源与演变，拓展人类生存空间的必然选择。月球探测工程的实施拉开了我国深空探测的序幕，随后又实施了火星探测工程。水下无线光通信作为一种新兴通信技术，具有容量大、带宽高、保密性好、抗干扰能力强等优势，已成为世界大国竞相发展的一项重要通信技术。利用可见光进行数据通信的无线光传输技术兼具照明、通信和控制定位等功能，易与现有基础照明设施相融合，且符合国家节能减排的战略思想，逐渐成为未来智能时代超高速泛在光联网的主要宽带传输方法。另外，在一些无法铺设光缆的特殊应用场合，如海岛之间、城市楼宇间、野外复杂环境等，空间激光通信技术可起到光纤通信技术所无法替代的作用。

4、一体化

由于激光在高速通信和精密测距方面具有优势，近年来激光测距与通信一体化技术越来越受到重视。激光测距与通信一体化设计是以高速通信为主，兼顾精密测距，使用同一束激光和硬件平台实现测距和信息传输，进而实现同一套设备完成测距和通信的双重功能。2013年NASA的LLCD系统已经成功实施月地高速激光通信与高精度测距的在轨演示验证，测距精度达到3cm；2014年，北京遥测技术研究所完成了基于相干通信的测距和高速通信一体化的设计；2015年，长春理工大学提出了空间目标测距、成像、通信一体化方案，其中激光通信信标光发射/接收和激光测距光发射/接收共用一个光学天线。

此外，激光和微波通信技术的融合，也是目前学术研究的热点，主要包括激光与微波收发融合、数据处理融合、微波信号的激光调制和产生等。目前，微波光子技术逐渐发展成熟，并已应用于雷达信号的激光传输和处理，未来该技术也将在激光与微波融合通信系统中应用。激光/微波混合传输的主要思想是通过在激光链路连接的两个节点间建立额外的微波链路，在天气恶劣的条件下使用微波链路进行辅助传输来保障节点间通信不间断。2006年，美国宾夕法尼亚州立大学的科学家进行了空载激光/微波混合传输的评估研究。研究发现激光链路受云层影响较大，主要是由于云颗粒带来的衰减及散射，但当微波链路引入后可以大幅提升整体链路的可用度。

通常的激光/微波混合传输方式为激光链路可以通时采用激光传输，无法通时改为微波链路进行数据传输。该种方法不仅不能有效利用整体信道带宽，在激光和微波链路进行切换的过程中也容易带来不必要的传输中断。2009年弗吉尼亚大学的科学家提出了一种符号率自适应联合编码方案，使得微波链路和激光链路同时高效工作。2010年马萨诸塞大学的科学家提出了混合信道码，通过利用非均匀码及速率兼容LDPC码，在提升通信容量的同时达到了电信级的可靠性（99.999%）。

中国卫星激光通信零的突破：覆盖全球

据中国航天科工集团消息，近日，“行云二号”01星、02星之间实现了建链流程完整、遥测状态稳定的双向通信，标志着卫星搭载的激光通信载荷技术得到成功验证，我国卫星物联网星座实现星间激光通信零的突破。

“行云二号”01星、02星的激光通信载荷质量为6.5千克，在轨功耗80瓦，是天基物联网“行云工程”的首发星，于2020年5月12日成功发射入轨，随即开展在轨技术测试，目前所有核心技术均得到充分验证。

据悉，星间激光通信是一种利用激光束作为载波在空间进行图像、语音、信号等信息传递的通信方式，具有传输速率高、抗干扰能力强、系统终端体积小、质量轻、功耗低等优势，可以大幅降低卫星星座系统对地面网络的依赖，从而减少地面信关站的建设数量和建设成本，扩大覆盖区域、实现全球测控。目前，星间激光链路技术已成为全球卫星通信系统发展的关键技术。

公开资料显示，全球中低轨道星座项目中，只有美国的Starlink星座、LeoSat星座提出了采用星间激光链路实现空间组网的计划。

在国内，行云公司研制了国内最小的星间激光通信载荷，实现了国内卫星物联网星座激光通信零的突破，打通了卫星物联网星座间信息传输的瓶颈制约。

卫星激光通信日渐火热！一文带你读懂技术、机遇与挑战

随着数以千计的卫星被送入轨道，卫星激光通信技术日益受到重视，被视为一项关键使能技术。业界认为其结合了无线电通信和光纤通信的优点，具有带宽高、传输快速便捷以及成本低等优势，是解决信息传输“最后一千米”的最佳选择。

近年来，我国卫星激光通信迎来快速发展：一方面，卫星激光通信试验取得重大突破。 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，其他关键指标也已经对齐国际先进标准。

另一方面，资本市场对卫星激光通信的商业化前景看好。 以卫星激光通信企业「氦星光联」为例，2023年4月，公司完成由永徽资本领投，紫金港资本、创享投资、嘉兴黑盒以及老股东东证创新、杭州岙华联合投资的第五轮融资。公司已实现通信单元的在轨验证。本轮融资距上一轮仅6个月，反映了一级市场对该项目和技术的认可。

什么是卫星激光通信？

卫星的通信方式主要可分为2种：使用电磁波进行通信，以及使用光进行通信。进一步细分，又可分为微波通信、太赫兹通信、激光通信和量子通信。

其中，太赫兹和量子通信或者相关技术仍不完善，或者器件的成熟度还未达到可工业使用的要求，目前距应用仍有较大距离。

目前最成熟的通信方式是微波通信。微波通信在器件、算法等各方面的发展都已经较为成熟。但同时，微波通信也存在一些不足之处。一是长距离传输需要较高的功耗，传输速率也会受到限制。二是由于星际环境复杂多变，微波通信需要申请特定的频段，避免与相邻卫星通信频率重叠，以防止信号干扰。

相对而言，激光通信技术日益成熟，在星间通信中的使用逐步增多。激光通信受益于地面的光纤通信对产业链的催化，其优势为传输速率高、无频段限制，且对其他任何星间通信不会造成干扰。

卫星激光通信是利用激光作为信号载波，将语音和数据等信息调制到激光上进行传输的方式。区别于微波通信，激光光束在空间中充当信息的传输载体。按照激光传输环境的不同，卫星激光通信分为两类：一是真空环境下的激光通信，即星间激光通信，主要应用于真空环境中的设备，如卫星与卫星、飞船、空间站等之间的通信；二是在大气环境下进行的激光通信，即星地激光通信，这种通信技术应用比较广泛，如用于卫星与地面、海上用户及空中飞行器的连接等。

卫星激光通信的核心技术要素包括关键组件、通信体制和对准捕获方式 。

其关键组件 包括激光发射器、发射光学镜头、接收光学镜头、激光接收器、控制硬件等。

空间激光通信共有两种最常用的通信体制 ：相干通信和非相干通信。目前，相干通信和非相干通信都已在国际上完成在轨关键技术验证，并开始了大规模的组网建设部署。相比之下，在工程应用场景中，相干体制适用于链路距离较远且速率较高的情况，而非相干体制则适用于链路距离较近且速率较低的情况。

对准捕获方式 包括信标光和非信标光两种。“信标光+信号光”捕获方案是指激光通信终端使用单独的信标光。通过使用较宽的信标光束按照一定的扫描方式对不确定区域进行扫描。终端使用大视场的捕获探测器来监测接收信标光的质心位置，以实现对信标光的捕获和跟踪，进而将信号光引导至跟踪探测器接收视场，进行精确跟踪，最终实现激光建立通信链路。

“非信标光”捕获方案则是指在工作过程中不使用信标光，直接使用信号光进行扫描，并通过对信号光进行分光，实现光通信终端之间的捕获和跟踪功能。

非信标光对准示意图

来源：武凤等《基于空间成像的卫星光通信双向捕获技术》

卫星激光通信的技术优势和亟待突破的瓶颈

优势方面 ，卫星激光通信采用高频率激光作为载体，具有以下特点：

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，加上波分复用等手段，未来可以以Tbps速率传输信息。

抗干扰能力强 ：激光具有较窄的发散角，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 ），通信过程中不易受外界干扰，抗干扰能力强。

保密性好 ：卫星激光通信波谱使用0.8~1.55μm波段，属于不可见光，通信时不易被发现。而激光发散角小，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 ：激光波长比微波波长小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微波所需器件相比，尺寸小，重量轻，可满足空间卫星通信对星上有效载荷小型化、轻量化、低功耗的要求。

节省建设成本 ：通过激光通信建立星间激光链路，可以有效减少地面信关站的建设需求；同时有助于数据流汇聚，进而简化卫星网络结构，从而多方面节省建设成本。

瓶颈方面 ，激光通信技术也面临着亟待突破之处：

接收机和发射机之间的瞄准系统复杂 ：卫星激光通信发散角小，需要光学系统以及高精度的跟瞄辅助机制完成建链。尤其是接收机和发射机之间的瞄准非常困难。空间光通信系统要完成远距离卫星间光信号的发射与接收，必须进行远距离卫星间或者空间站间目标的捕获与跟踪，前者依赖于激光通信系统，后者取决于光学跟瞄系统（PAT）。

发射天线和接收天线的效率、精度、体积、重量和成本的平衡难度较高 ：出于获取最小光斑的需求，发射天线可以设计成接近衍射极限，但同时给精确对准带来了困难。为了接收更多的能量信号，接收天线直径越大越好，但这会增加系统的体积、重量和成本。提高接收灵敏度十分重要。

远距离传输容易出现信号衰弱和延时等问题 ：卫星距离地面的高度介于600千米~3.6万千米。激光通信的实用化，仍面临较大挑战。尤其是环境对激光通信信号会有较大干扰。虽然激光通信不受电磁干扰，但大气中的气体分子、水雾、霾等与激光波长相近的粒子会引起光的吸收和散射，极大地妨碍、吸收光波的传输；同时，大气湍流也会严重地影响到信号的接收。

全球卫星激光通信发展概况

近年来，由于星座网络的战略重要性日益凸显，卫星激光通信开始吸引大众的视线，并且呈加速发展态势，成为大国间博弈的热点。

美国

2015年以来，美国已开展多项卫星激光通信验证、演示计划和产业应用，在该领域的技术发展走在全球前列。

SpaceX 2015年宣布开始布局 “星链”项目；2019年，正式将首批60颗卫星发送入轨道，在星间采用卫星光通信技术。大规模的卫星激光通信技术得到采用，使卫星激光通信正式向产业化方向发展。

美国Optical Communication and Sensor Demonstration（OCSD）卫星验证了微小卫星可以通过激光星间链路实现高速率星地通信，打破了此前对激光星间通信在体积和质量上的限制。OCSD-A星于2015年10月发射，OCSD-B/C星于2017年11月发射，分别验证了卫星对地面空间站可以通过激光星间链路实现较高的通信速率。

类似地，麻省理工学院、佛罗里达大学和美国航空航天局埃姆斯研究中心联合研制的立方卫星激光红外连接CLICK系统也用于验证星间、星地激光通信。CLICK系统可以展示低SWaP激光终端，能够进行全双工高数据速率下行和星间连接，以提高精确测距和时间同步。

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，较传统上用于卫星通信的射频链路高1000多倍，也是截至目前从空间到地面的激光链路所能达到的最高数据速率。

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。

此外，NASA 2022年还推进了另一个深空光通信DSOC飞行演示。空间和地面之间的通信将在近红外区域使用先进的激光器，在寻求在不增加质量、体积或功率的情况下，将通信性能提高10~100倍。

欧洲

欧洲在卫星中继领域已有成熟的激光通信应用。

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，通过该终端载荷连接低轨到高轨和高轨到地面的通信，可以为低轨卫星用户、航空用户、无人机用户和地面终端设备提供中继服务，其通信距离为4.5万千米。

2016年6月，EDRS-A采用了星间激光通信，信息速率为600Mbps，每天为40颗低高轨卫星提供中继服务。2019年8月，EDRS-C成功发射到地球静止轨道运行，其激光星间链路的实现终端架设于SmallGEO开发的平台上。预计于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。它将包含三组激光终端，预计实现高达8万千米的传输距离，可将亚太地区数据传到欧洲以实现全球数据中继服务。

德国TESAT公司推出了一系列激光终端可以适应多任务需求。对于近地轨道任务，TESAT推出了SmartLCT终端，它可以部署在更小、更轻的卫星上，从而节省大量的质量和空间。SmartLCT的数据传输距离长达4.5万千米，同时可提供1.8Gbps的高速数据传输，仅重约30kg。

在小卫星领域，TESAT的激光产品系列提供小质量的TOSIRIS和CubeLCT。它们分别以10Gbps或100Mbps的速度传输对地数据，其中TOSIRIS仅重8kg。通过激光终端构建地球数据骨干网，TESAT可以实现近乎实时的全球数据传输。

德国Mynaric公司推出CONDOR Mk3激光终端，可提供在7500千米距离上达到10Gbps的通信速率。终端设计寿命7年，较上一代产品的通信能力有大幅提升。

中国

我国空间激光通信技术的研究工作开始于20世纪90年代，主要研究卫星激光通信整机研制，高精度光学天线和跟瞄系统优化，激光器、光放大器和探测器等核心器件服务质量提高和模块化定制等技术难点。

作为国内第一次星地激光通信在轨技术试验，“海洋二号”卫星于2011年成功入轨，通过非相干通信，可以实现2000千米距离星地通信，最高通信速率可达504Mbps。

在此之后，“墨子号”量子卫星于2016年成功发射，通过相干调制方式实现了5.12Gbps的激光通信速率，能够支持具备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， 其激光终端的数据下行速率为1.6Gbps。该载荷也首次实现了白昼激光通信，其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，通信速率最高可达5Gbps，通信距离最高可以支持4.5万千米，刷新了当时国际高轨星地激光最高通信数据率。

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，其他关键指标也已经对齐国际先进标准。

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，所获卫星载荷数据质量良好，可满足高标准业务化应用需求。

可以看出，中国在卫星激光通信领域的技术发展已与欧洲相当，但落后于美国。

卫星激光通信未来前景展望

卫星激光通信已显示出应用场景广泛、市场潜力巨大的乐观前景。

应用场景方面 ，除了在军事通信领域作用重大，可以建立军事通信网络，实现远程通信和机密通信等以外。在如下民用领域卫星激光通信开始显现出良好的应用潜力：

互联网通信 ：可支持建立全球范围的互联网通信网络，为各种应用提供高速的互联网接入服务

海洋通信 ：可在海洋上建立通信网络，为海上作业、船舶通信等提供稳定的通信服务

天文观测 ：能用于天文观测，通过在地球表面搭建多个观测站，利用激光光束与卫星进行通信，实现空间天文学的观测和研究

应急通信 ：可在抗震救灾、突发事件等紧急情况下，弥补移动通信受损等不足

市场前景方面 ，根据太平洋证券预测，我国2027年卫星激光通信终端市场规模将达到130.38亿元，2024-2027年间CAGR将达68.4%。

2024-2027年中国卫星激光通信终端市场规模预测（亿元）来源：太平洋证券

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