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激光通信能夠?qū)崿F(xiàn)超高速、安全的數(shù)據(jù)傳輸。隨著該技術(shù)逐漸成熟并開始規(guī)?；瘧?yīng)用，它正深刻改變衛(wèi)星星座、科學(xué)任務(wù)以及國防行動的形態(tài)。

2024年9月，《紐約時報》報道了一次引人矚目的飛行任務(wù)：一艘SpaceX太空艙搭載兩名私人宇航員完成了首次商業(yè)太空行走等多項壯舉。文章的最后一句尤其值得注意：“他們還測試了Crew Dragon與SpaceX星鏈（Starlink）互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星星座之間的激光通信。”

迄今為止，大多數(shù)在軌衛(wèi)星仍通過無線電波或微波進行信息收發(fā)，所使用的頻段主要位于3-31 GHz之間（超高頻），覆蓋S波段至Ka波段。運營著目前全球最大衛(wèi)星星座的Starlink公司，則獲準(zhǔn)使用40-50 GHz的V波段頻率。

頻率越高、波長越短，單一信號所能承載的數(shù)據(jù)量就越大。從這一點看，向激光通信的轉(zhuǎn)變具有顛覆性意義。約1.5 μm的電信激光波長，其對應(yīng)頻率比Ka波段無線電波高出約1萬倍。用于該波段的激光器和電子器件已實現(xiàn)大規(guī)模商用，技術(shù)成熟度極高。

盡管激光通信終端（Laser Communication Terminals，LCT）經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展才走向成熟，但如今這一技術(shù)已經(jīng)真正“到位”。其發(fā)展過程中面臨過諸多重大技術(shù)挑戰(zhàn)，例如指向精度問題——要用極窄的激光光斑命中一顆以約3萬 km/h速度飛行的衛(wèi)星并非易事。然而這一難題已被解決，且激光光斑直徑小的特性反而成為優(yōu)勢：相比無線電波，激光通信更難被竊聽。

當(dāng)然，也仍存在新的技術(shù)挑戰(zhàn)，如反作用飛輪和太陽翼運動引起的微振動等問題。即便如此，NASA仍用一句話概括了LCT的核心優(yōu)勢：“與同類射頻系統(tǒng)相比，它重量更輕、功耗更低、占用空間更小。”

激光通信終端如何工作

LCT的研發(fā)始于20世紀(jì)70年代。要使其成為如今可直接部署的成熟產(chǎn)品，需要激光技術(shù)等多個關(guān)鍵領(lǐng)域取得重大進展。

激光源是LCT的核心組件之一，此外還包括：

• 光束指向與跟蹤系統(tǒng)；

• 用于發(fā)射和接收光信號的望遠鏡；

• 將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的探測器。

星載激光源通常在近紅外波段工作，典型波長為1064 nm或1550 nm。光束指向與跟蹤系統(tǒng)確保激光即使跨越數(shù)萬公里，也能精確對準(zhǔn)接收端。

粗指向通常由萬向架完成，其精度優(yōu)于1°；精指向系統(tǒng)則補償振動、抖動及相對運動，實現(xiàn)微弧度級對準(zhǔn)精度。壓電器件（piezos）常用于實現(xiàn)這種高速、微弧度級的精細控制。為輔助指向和跟蹤，還可使用信標(biāo)光束。

望遠鏡是LCT中體積最大的部件，其口徑直接決定系統(tǒng)整體尺寸和通信距離。即便是激光束，在長距離傳播中也會發(fā)生發(fā)散。因此，用于地球同步軌道（GEO）衛(wèi)星的LCT望遠鏡必須大于僅用于近地軌道（LEO）衛(wèi)星間鏈路（距離僅數(shù)百公里）的系統(tǒng)?；诓煌瑧?yīng)用需求，主要LCT供應(yīng)商已開發(fā)出多種不同尺寸和性能等級的產(chǎn)品。

在接收端，雪崩光電二極管（APD）和先進的單光子探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號；隨后由數(shù)據(jù)處理單元完成調(diào)制、糾錯和加密，確保通信的可靠性與安全性。

在建立鏈路時，發(fā)射終端通常采用螺旋掃描方式。通過初始的隨機“命中”，系統(tǒng)逐步計算出最佳指向方向。其核心挑戰(zhàn)在于協(xié)調(diào)多個不同的慣性與參考坐標(biāo)系：粗、精指向鏡；地球、太陽；以及收發(fā)衛(wèi)星的軌道位置與姿態(tài)——每一個都擁有自身的坐標(biāo)體系。

邁向空間激光網(wǎng)絡(luò)

首個星間激光鏈路于2001年11月建立，當(dāng)時歐洲地球同步軌道衛(wèi)星Artemis與地球觀測衛(wèi)星SPOT 4成功實現(xiàn)通信。該系統(tǒng)采用60 mW激光二極管和25 cm口徑望遠鏡，實現(xiàn)了50 Mbit/s的數(shù)據(jù)速率，總質(zhì)量160 kg，功耗150 W。

LCT在發(fā)展早期便被應(yīng)用于國防領(lǐng)域。2008年2月，德國研制的LCT搭載于美國導(dǎo)彈防御局的NFIRE衛(wèi)星，用于加速導(dǎo)彈跟蹤信息的遠距離傳輸。

NASA于2013年啟動了月球激光通信演示任務(wù)（LLCD），在LADEE探測器與地面三座終端之間，成功演示了在38.5萬公里距離上實現(xiàn)最高622 Mbps的通信速率。

NASA月球激光通信演示（LLCD）光學(xué)模塊的計算機渲染圖。該光學(xué)模塊包含一個0.5瓦的激光發(fā)射器，安裝在LADEE航天器外部，由一個安裝在雙軸萬向節(jié)上的直徑4英寸的望遠鏡組成。整個系統(tǒng)重約65磅。

同年，GEO軌道的Alphasat發(fā)射，用于演示GEO-地面及GEO-LEO激光鏈路。2014年，國際空間站上的OPALS載荷測試成功，僅用7秒就下傳了一段1969年阿波羅11號登月視頻，而同樣內(nèi)容通過傳統(tǒng)無線電鏈路需約12小時。

隨后，LCT被集成到Sentinel-1/2（LEO）和歐洲數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星EDRS-A/C（GEO）中，構(gòu)成“空間數(shù)據(jù)高速公路”。LEO與GEO之間超過3.5萬公里的星間鏈路完全由LCT完成，空間到地面的數(shù)據(jù)速率達到1.8 Gbps。該系統(tǒng)自2016年起進入常態(tài)化運行。

歐洲數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星(EDRS)-A是EDRS的第一個節(jié)點

NASA的激光通信中繼演示（LCRD）于2021年進入GEO軌道，NASA隨后對其與多個地面終端之間的通信進行了測試。通過LCRD，NASA工程師還驗證了激光通信系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)更高精度的導(dǎo)航能力。通過激光鏈路獲取的位置數(shù)據(jù)精度，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)射頻通信。

激光通信中繼演示（LCRD）有效載荷安裝在LCRD支持組件飛行器（LSAF）上。LSAF上安裝有兩個光學(xué)模塊，它們產(chǎn)生紅外激光，用于與地球之間傳輸數(shù)據(jù)。

2023年，LCRD作為中繼站發(fā)揮了關(guān)鍵作用。集成式LCRD低軌用戶調(diào)制解調(diào)器與放大終端（ILLUMA-T）被送往國際空間站（ISS），成功建立了雙向激光通信鏈路。與此同時，由NASA的“靈神星（Psyche）”探測任務(wù)創(chuàng)造了空間通信領(lǐng)域的紀(jì)錄：該任務(wù)在一次演示中，將視頻數(shù)據(jù)從距地球3100萬公里的深空傳回地面，為未來地球軌道之外的載人任務(wù)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。該儀器可發(fā)送和接收近紅外（NIR）信號，使用編碼的近紅外激光，以267 Mbps的速率向位于加州的加州理工學(xué)院帕洛馬天文臺的Hale望遠鏡傳輸數(shù)據(jù)。

SpaceX于2022年開始部署激光通信終端（LCT）。其Starlink衛(wèi)星最初的設(shè)計是接收來自地面便攜式終端的信號，并將這些信號轉(zhuǎn)發(fā)至具備互聯(lián)網(wǎng)接入能力的下一處地面站。隨著星間激光通信（即衛(wèi)星與同一或相鄰軌道平面上的其他衛(wèi)星直接通信）的實現(xiàn)，地面站不再需要與用戶終端處于同一顆衛(wèi)星的覆蓋范圍內(nèi)。這一變化有望對Starlink的整體運行模式產(chǎn)生重大影響。

激光通信終端的主要開發(fā)商

過去，LCT多為試驗性部署，僅歐洲數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)（EDRS）等少數(shù)系統(tǒng)用于常態(tài)化業(yè)務(wù)。如今，LEO星座運營商已開始批量采購。

市場領(lǐng)軍者TESAT于2024年8月投產(chǎn)新工廠，產(chǎn)能達每月100套LCT。TESAT表示，其終端在軌運行時間已超過50萬小時，有10臺已進入太空的光通信終端，是全球唯一具備成熟在軌驗證經(jīng)驗的供應(yīng)商。

TESAT-Spacecom成立于2001年，總部位于德國斯圖加特附近的巴肯南（Backnang）。該公司由一家成熟的衛(wèi)星載荷企業(yè)重組而來，并逐步成長為行業(yè)領(lǐng)軍者。其歷史可追溯至AEG Telefunken，該公司于1949年被迫離開柏林，隨后歷經(jīng)多次更名與股權(quán)變更。2001年，EADS Astrium（現(xiàn)為空中客車防務(wù)與航天公司的一部分）收購TESAT，并將其作為獨立公司運營。如今，TESAT在全球雇傭約1100名員工，主要集中在巴肯南。

2024年3月，SpaceX總裁格溫·肖特韋爾（Gwynne Shotwell）宣布，公司已開始對外銷售激光通信終端。2024年9月，SpaceX宣布成功測試了為美國太空發(fā)展局（SDA）制造的兩顆衛(wèi)星之間的激光鏈路，但測試中使用的仍是TESAT的終端。該測試涉及四顆配備Leidos紅外傳感器和TESAT激光終端的衛(wèi)星中的兩顆。

與此同時，其他LCT供應(yīng)商也在持續(xù)推進技術(shù)演進。2024年6月，美國太空系統(tǒng)司令部宣布向四家公司授予合同，用于開發(fā)激光通信終端原型，正式啟動總額1億美元的“企業(yè)級空間終端（Enterprise Space Terminal）”計劃第一階段。中標(biāo)公司包括Blue Origin、CACI International、General Atomics、Viasat。

德國公司Mynaric此前贏得了諾斯羅普·格魯曼的訂單，成為美國太空發(fā)展局Tranche 1運輸層與跟蹤層計劃中光通信終端的唯一供應(yīng)商。這也是該公司獲得的多項合同之一。不過，由于LCT產(chǎn)能爬坡進展不及預(yù)期，Mynaric的CEO于2024年夏季離職，公司市值大幅縮水，盡管其產(chǎn)線擴張仍在繼續(xù)。

全球進展

全球多國紛紛在LCT技術(shù)領(lǐng)域展開相關(guān)活動。

據(jù)中國日報網(wǎng)報道，我國已于2024年2月成功將首個雙向激光通信終端送入軌道。該終端由深圳的氦星光聯(lián)（HiStarlink）與成都的國星宇航（AdaSpace）合作研制，其最大傳輸速率可達10 Gbps。

此前，我國于2016年發(fā)射了名為“墨子號”的科研衛(wèi)星，實現(xiàn)了全球首次基于衛(wèi)星的量子加密通信，通過向地面站發(fā)送糾纏光子對建立安全鏈路。

日本方面，NEC與總部位于加州的Skyloom全球公司展開合作，目標(biāo)是在2025年前完成LCT的研發(fā)。

歐洲的國防承包商也加入競爭行列。泰雷茲·阿萊尼亞航天（Thales Alenia Space）開展了面向量子通信的LCT研發(fā)；亨索爾特（Hensoldt）甚至將LCT推廣至潛艇通信應(yīng)用。

激光對地通信的挑戰(zhàn)與創(chuàng)新

激光與地面之間的通信仍被視為一項高難度、極具象征意義的技術(shù)突破，因為云層、霧氣和大氣湍流隨時可能降低傳輸容量。因此，這類地面站很可能選址于高山或干旱地區(qū)，類似于天文望遠鏡的部署方式，并借鑒自適應(yīng)光學(xué)等成像去模糊技術(shù)。

法國公司Cailabs提出了另一種思路。該公司提出利用光場空間組成/分解（demux）技術(shù)，在高數(shù)據(jù)速率下抑制大氣湍流影響。其專有光學(xué)系統(tǒng)可支持多達45種模式的復(fù)用/解復(fù)用，每個信道功率可達100W。目前，Cailabs已在地面運行多條最長10公里的測試鏈路。

接下來會發(fā)生什么

大規(guī)模衛(wèi)星星座無疑是LCT最具潛力的市場。僅Starlink、Kuiper和中國“千帆星座”就規(guī)劃了超過3萬顆衛(wèi)星。如果每顆衛(wèi)星配備2–4臺LCT，那么每年所需終端數(shù)量將達到數(shù)千臺。目前限制LCT部署的最大瓶頸仍是發(fā)射能力。此外，低軌衛(wèi)星的平均壽命約7年，這意味著市場將持續(xù)存在更新需求。若單臺LCT的價格控制在100萬美元以下，則可以粗略估算這一新興市場的規(guī)模將達到每年約10億美元。這一估算仍有待更深入的分析。

迄今為止，最大的星座系統(tǒng)主要面向終端用戶服務(wù)。Rivada Space Networks（一家德美合資公司）則引入了新的商業(yè)維度：其計劃部署600顆衛(wèi)星，服務(wù)對象涵蓋海事、通信、企業(yè)、能源和政府部門。盡管Rivada尚未發(fā)射任何衛(wèi)星，但其在2024年11月的新聞稿中表示，已為其低軌網(wǎng)絡(luò)鎖定了超過130億美元的業(yè)務(wù)訂單。

這些市場都將進一步推動該技術(shù)的發(fā)展與部署。Starlink最新一代用戶終端已經(jīng)展示出令人矚目的性能，可用于車輛和船舶。固定式終端在諸如巴西亞馬孫雨林或澳大利亞內(nèi)陸等欠發(fā)達地區(qū)也蘊含巨大機遇。物聯(lián)網(wǎng)的堅定支持者則期待實現(xiàn)任何時間、任何地點的高速上行鏈路。

飛機互聯(lián)網(wǎng)接入可能需要更復(fù)雜的解決方案，而政府機構(gòu)顯然會確保其數(shù)據(jù)鏈路覆蓋戰(zhàn)機、火箭、潛艇等平臺。這將進一步推動加密技術(shù)的發(fā)展。首批量子加密衛(wèi)星通信已經(jīng)實現(xiàn)，更多相關(guān)應(yīng)用正在快速推進。

德國公司MO-SPACE正在開發(fā)一種基于平流層飛艇的激光與量子通信網(wǎng)絡(luò)。這一構(gòu)想具有多方面優(yōu)勢：

• 飛艇的發(fā)射成本低于衛(wèi)星，回收更容易；

• 飛艇可作為衛(wèi)星與地面站之間的中繼節(jié)點；

• 在空間碎片風(fēng)險方面提供冗余；

• 且不會像衛(wèi)星再入那樣對平流層環(huán)境造成影響。

平流層中的固定飛艇可以作為低地球軌道(LEO)衛(wèi)星進行自由空間數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N經(jīng)濟高效的替代方案

與衛(wèi)星相比，飛艇還可以保持相對靜止并提供更低時延，從而繞開云層遮擋問題。同時，飛艇比衛(wèi)星更容易支持智能手機直連通信。盡管飛艇聽起來頗具“未來感”，但這一思路正在快速擴展。例如，總部位于美國新墨西哥州阿爾伯克基附近的Sceye，也在籌備搭載 LCT 的高空飛艇平臺。

未來已來

激光通信終端的概念已被討論40余年。如今它們已成為現(xiàn)實，且已有數(shù)百套系統(tǒng)被低軌星座訂購。LCT的技術(shù)成熟度等級（TRL）已達到9級。結(jié)合價格與訂單規(guī)模，可以預(yù)見，一個年規(guī)模約10億美元的LCT硬件市場正在形成。

如果這一預(yù)期得以實現(xiàn)，LCT將成為全球衛(wèi)星星座的通信骨干，支撐低時延互聯(lián)網(wǎng)連接。“隨時隨地上網(wǎng)、只需一個餐盤大小的天線”只是起點；智能手機直連衛(wèi)星將隨之而來，利用光學(xué)信號提升GPS精度也將成為新的應(yīng)用方向。創(chuàng)意仍在不斷涌現(xiàn)，快速的技術(shù)進步正推動這些創(chuàng)新走向日常生活。

文章來源：Photonics spectra；原文鏈接：https://www.photonics.com/Articles/Laser-Communication-Terminals-Spark-a-Silent/a70691；作者：Andreas Thoss

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本文轉(zhuǎn)載自“臨空視野”，原標(biāo)題《激光通信正在掀起一場無聲革命》。

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