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隨著數(shù)以千計(jì)的衛(wèi)星被送入軌道，衛(wèi)星激光通訊技術(shù)日漸遭到注重，被視為一項(xiàng)關(guān)鍵使能技術(shù)。業(yè)界覺得其結(jié)合了無線電通訊和光纖通訊的優(yōu)點(diǎn)，具有帶寬高、傳輸快速方便以及成本低等優(yōu)勢(shì)，是解決信息傳輸“最后一千米”的最佳選擇。
近些年來，我國(guó)衛(wèi)星激光通訊迎來快速發(fā)展：一方面，衛(wèi)星激光通訊試驗(yàn)取得重大突破。2020年，“實(shí)踐二十號(hào)”衛(wèi)星與拉薩地面站成功構(gòu)建激光通訊鏈路，實(shí)現(xiàn)從衛(wèi)星到地面站最高的下行傳輸速度，其他關(guān)鍵指標(biāo)也早已對(duì)齊國(guó)際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)。
另一方面，資本市場(chǎng)對(duì)衛(wèi)星激光通訊的商業(yè)化前景看好。以衛(wèi)星激光通訊企業(yè)「氦星光聯(lián)」為例，2023年4月，公司完成由永徽資本領(lǐng)投，古蕩資本、創(chuàng)享投資、嘉興黑盒以及老股東東證創(chuàng)新、杭州岙華聯(lián)合投資的第五輪融資。公司已實(shí)現(xiàn)通訊單元的在軌驗(yàn)證。本輪融資距上一輪僅6個(gè)月，反映了一級(jí)市場(chǎng)對(duì)該項(xiàng)目和技術(shù)的認(rèn)可。
哪些是衛(wèi)星激光通訊？
衛(wèi)星的通訊方法主要可分為2種：使用電磁波進(jìn)行通訊，以及使用光進(jìn)行通訊。進(jìn)一步細(xì)分，又可分為微波通訊、太赫茲通訊、激光通訊和量子通訊。
其中，太赫茲和量子通訊或則相關(guān)技術(shù)仍不健全，或則元件的成熟度還未達(dá)到可工業(yè)使用的要求，目前距應(yīng)用仍有較大距離。
目前最成熟的通訊方法是微波通訊。微波通訊在元件、算法等各方面的發(fā)展都早已較為成熟。但同時(shí)，微波通訊也存在一些不足之處。一是長(zhǎng)距離傳輸須要較高的幀率，傳輸速度也會(huì)遭到限制。二是因?yàn)樾请H環(huán)境復(fù)雜多變，微波通訊須要申請(qǐng)?zhí)囟ǖ念l段，防止與相鄰衛(wèi)星通訊頻度重疊，以避免訊號(hào)干擾。
相對(duì)而言，激光通訊技術(shù)日漸成熟，在星間通訊中的使用逐漸增多。激光通訊獲益于地面的光纖通訊對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈的催化，其優(yōu)勢(shì)為傳輸速度高、無頻段限制，且對(duì)其他任何星間通訊不會(huì)引起干擾。
衛(wèi)星激光通訊是借助激光作為訊號(hào)擴(kuò)頻，將語音和數(shù)據(jù)等信息調(diào)制到激光上進(jìn)行傳輸?shù)男问?。區(qū)別于微波通訊，激光光束在空間中充當(dāng)信息的傳輸載體。根據(jù)激光傳輸環(huán)境的不同，衛(wèi)星激光通訊分為兩類：一是真空環(huán)境下的激光通訊，即星間激光通訊，主要應(yīng)用于真空環(huán)境中的設(shè)備，如衛(wèi)星與衛(wèi)星、飛船、空間站等之間的通訊；二是在大氣環(huán)境下進(jìn)行的激光通訊，即星地激光通訊，這些通訊技術(shù)應(yīng)用比較廣泛，如用于衛(wèi)星與地面、海上用戶及空中飛行器的聯(lián)接等。
衛(wèi)星激光通訊的核心技術(shù)要素包括關(guān)鍵組件、通信體制和對(duì)準(zhǔn)捕獲形式。
其關(guān)鍵組件包括激光發(fā)射器、發(fā)射光學(xué)鏡頭、接收光學(xué)鏡頭、激光接收器、控制硬件等。
空間激光通訊共有兩種最常用的通訊體制：相干通訊和非相干通訊。目前，相干通訊和非相干通訊都已在國(guó)際上完成在軌關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，并開始了大規(guī)模的組網(wǎng)建設(shè)布署。相比之下，在工程應(yīng)用場(chǎng)景中，相干體制適用于鏈路距離較遠(yuǎn)且速度較高的情況，而非相干體制則適用于鏈路距離較近且速度較低的情況。
對(duì)準(zhǔn)捕獲形式包括信標(biāo)光和非信標(biāo)光兩種?！靶艠?biāo)光+訊號(hào)光”捕獲方案是指激光通訊終端使用單獨(dú)的信標(biāo)光。通過使用較寬的信標(biāo)光束根據(jù)一定的掃描方法對(duì)不確定區(qū)域進(jìn)行掃描。終端使用大視場(chǎng)的捕獲偵測(cè)器來檢測(cè)接收信標(biāo)光的剛體位置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)信標(biāo)光的捕獲和跟蹤，從而將訊號(hào)光引導(dǎo)至跟蹤偵測(cè)器接收視場(chǎng)，進(jìn)行精確跟蹤，最終實(shí)現(xiàn)激光構(gòu)建通訊鏈路。
“非信標(biāo)光”捕獲方案則是指在工作過程中不使用信標(biāo)光，直接使用訊號(hào)光進(jìn)行掃描，并通過對(duì)訊號(hào)光進(jìn)行分光，實(shí)現(xiàn)光通訊終端之間的捕獲和跟蹤功能。
非信標(biāo)光對(duì)準(zhǔn)示意圖
來源：武鳳等《基于空間成像的衛(wèi)星光通訊單向捕獲技術(shù)》
衛(wèi)星激光通訊的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和亟需突破的困局
優(yōu)勢(shì)方面，衛(wèi)星激光通訊采用高頻率激光作為載體，具有以下特性：
困局方面，激光通訊技術(shù)也面臨著亟需突破之處：
全球衛(wèi)星激光通訊發(fā)展概況
近些年來，因?yàn)樘斐泳W(wǎng)路的戰(zhàn)略重要性日漸顯現(xiàn)，衛(wèi)星激光通訊開始吸引大眾的視線，但是呈加速發(fā)展態(tài)勢(shì)，成為大國(guó)間博弈的熱點(diǎn)。
日本
2015年以來，韓國(guó)已舉辦多項(xiàng)衛(wèi)星激光通訊驗(yàn)證、演示計(jì)劃和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，在該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展走在全球前列。
2015年宣布開始布局“星鏈”項(xiàng)目；2019年，即將將首批60顆衛(wèi)星發(fā)送入軌道，在星間采用衛(wèi)星光通訊技術(shù)。大規(guī)模的衛(wèi)星激光通訊技術(shù)得到采用，使衛(wèi)星激光通訊即將向產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。
日本and（OCSD）衛(wèi)星驗(yàn)證了微小衛(wèi)星可以通過激光星間鏈路實(shí)現(xiàn)高速率星地通訊，打破了此前對(duì)激光星間通訊在容積和質(zhì)量上的限制。OCSD-A星于2015年10月發(fā)射，OCSD-B/C星于2017年11月發(fā)射，分別驗(yàn)證了衛(wèi)星對(duì)地面空間站可以通過激光星間鏈路實(shí)現(xiàn)較高的通訊速度。
類似地，麻省理工大學(xué)、佛羅里達(dá)學(xué)院和法國(guó)民航航天局埃姆斯研究中心聯(lián)合研發(fā)的立方衛(wèi)星激光紅外聯(lián)接CLICK系統(tǒng)也用于驗(yàn)證星間、星地激光通訊。CLICK系統(tǒng)可以展示低SWaP激光終端，才能進(jìn)行全雙工高數(shù)據(jù)速度下行和星間聯(lián)接，以提升精確測(cè)距和時(shí)間同步。
2022年5月，搭載太字節(jié)紅外傳輸器（，TBIRD）的大型六面體衛(wèi)星通過光通訊鏈路與加利福尼亞州的地面接收器以高達(dá)的速度傳輸了TB級(jí)數(shù)據(jù)，較傳統(tǒng)上用于衛(wèi)星通訊的射頻鏈路高1000多倍，也是截止目前從空間到地面的激光鏈路所能達(dá)到的最高數(shù)據(jù)速度。
2023年6月，英國(guó)NASA宣布其首個(gè)單向激光中繼系統(tǒng)演示項(xiàng)目（LCRD）完成第一年在軌實(shí)驗(yàn)。LCRD將連續(xù)三年在運(yùn)行環(huán)境中進(jìn)列寬數(shù)據(jù)速度激光通訊，演示激光通訊怎么滿足NASA對(duì)更高數(shù)據(jù)速度的不斷下降的需求。同時(shí)，LCRD的構(gòu)架將容許它作為空間中的測(cè)試平臺(tái)，用于開發(fā)額外的符號(hào)編碼、鏈路和網(wǎng)路層合同等。NASA相關(guān)負(fù)責(zé)人覺得該技術(shù)可能將成為從太空發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的未來技術(shù)手段。
據(jù)悉，NASA2022年還推動(dòng)了另一個(gè)深空光通訊DSOC飛行演示?？臻g和地面之間的通訊將在近紅外區(qū)域使用先進(jìn)的激光器，在尋求在不降低質(zhì)量、體積或功率的情況下，將通訊性能提升10~100倍。
法國(guó)
法國(guó)在衛(wèi)星中繼領(lǐng)域已有成熟的激光通訊應(yīng)用。
法國(guó)數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)EDRS基于GEO衛(wèi)星平臺(tái)構(gòu)建的衛(wèi)星中繼平臺(tái)，搭載了激光和Ka兩種模式的通訊荷載，通過該終端荷載聯(lián)接低軌到高軌和高軌到地面的通訊，可以為低軌衛(wèi)星用戶、航空用戶、無人機(jī)用戶和地面終端設(shè)備提供中繼服務(wù)，其通訊距離為4.5萬千米。
2016年6月，EDRS-A采用了星間激光通訊量子傳輸速率，信息速度為，每晚為40顆低高軌衛(wèi)星提供中繼服務(wù)。2019年8月，EDRS-C成功發(fā)射到月球靜止軌道運(yùn)行，其激光星間鏈路的實(shí)現(xiàn)終端架設(shè)于開發(fā)的平臺(tái)上。預(yù)計(jì)于2025年補(bǔ)充的第三顆衛(wèi)星EDRS-D的有效荷載將由三個(gè)下一代激光通訊終端組成，以容許EDRS-D與多顆衛(wèi)星同時(shí)通訊。它將包含三組激光終端，預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)高達(dá)8萬千米的傳輸距離，可將亞太地區(qū)數(shù)據(jù)傳到法國(guó)以實(shí)現(xiàn)全球數(shù)據(jù)中繼服務(wù)。
日本TESAT公司推出了一系列激光終端可以適應(yīng)多任務(wù)需求。對(duì)于近地軌道任務(wù)，TESAT推出了終端，它可以布署在更小、更輕的衛(wèi)星上，因而節(jié)約大量的質(zhì)量和空間。的數(shù)據(jù)傳輸距離歷時(shí)4.5萬千米，同時(shí)可提供1.8Gbps的高速數(shù)據(jù)傳輸，僅重約30kg。
在小衛(wèi)星領(lǐng)域，TESAT的激光產(chǎn)品系列提供小質(zhì)量的和。它們分別以或的速率傳輸對(duì)地?cái)?shù)據(jù)，其中僅重8kg。通過激光終端建立月球數(shù)據(jù)骨干網(wǎng)，TESAT可以實(shí)現(xiàn)近乎實(shí)時(shí)的全球數(shù)據(jù)傳輸。
美國(guó)公司推出Mk3激光終端，可提供在7500千米距離上達(dá)到的通訊速度。終端設(shè)計(jì)壽命7年，較上一代產(chǎn)品的通訊能力有急劇提高。
中國(guó)
我國(guó)空間激光通訊技術(shù)的研究工作開始于20世紀(jì)90年代，主要研究衛(wèi)星激光通訊整機(jī)研發(fā)，高精度光學(xué)天線和跟瞄系統(tǒng)優(yōu)化，激光器、光放大器和偵測(cè)器等核心元件服務(wù)質(zhì)量提升和模塊化訂制等技術(shù)難點(diǎn)。
作為國(guó)外第一次星地激光通訊在軌技術(shù)試驗(yàn)，“海洋二號(hào)”衛(wèi)星于2011年成功入軌，通過非相干通訊，可以實(shí)現(xiàn)2000千米距離星地通訊，最高通訊速度可達(dá)。
在此以后，“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星于2016年成功發(fā)射，通過相干調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)了5.的激光通訊速度，才能支持具備高維圖象和視頻信息的加密傳輸。
2016年量子傳輸速率，“天宮二號(hào)”與山西南山地面站成功實(shí)現(xiàn)了激光通訊實(shí)驗(yàn)，其激光終端的數(shù)據(jù)下行速度為1.6Gbps。該荷載也首次實(shí)現(xiàn)了白晝激光通訊，其荷載跟蹤能力在白晝時(shí)與夜間情況接近。
2017年，“實(shí)踐十三號(hào)”衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全球第一次同步軌道衛(wèi)星與地面的單向高速激光通訊，通訊速度最高可達(dá)5Gbps，通訊距離最高可以支持4.5萬千米，刷新了當(dāng)時(shí)國(guó)際高軌星地激光最高通訊數(shù)據(jù)率。
2020年，“實(shí)踐二十號(hào)”衛(wèi)星與拉薩地面站成功構(gòu)建激光通訊鏈路，實(shí)現(xiàn)從衛(wèi)星到地面站最高的下行傳輸速度，其他關(guān)鍵指標(biāo)也早已對(duì)齊國(guó)際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)。
2023年6月，中國(guó)科大學(xué)空天信息創(chuàng)新研究院借助自主研發(fā)的500毫米口徑激光通訊地面系統(tǒng)，與長(zhǎng)光衛(wèi)星技術(shù)股份有限公司所屬山東一號(hào)星成功舉辦星地激光通訊試驗(yàn)，通訊速度達(dá)到，所獲衛(wèi)星荷載數(shù)據(jù)質(zhì)量良好，可滿足高標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)化應(yīng)用需求。
可以看出，中國(guó)在衛(wèi)星激光通訊領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展已與法國(guó)相當(dāng)，但落后于英國(guó)。
衛(wèi)星激光通訊未來前景展望
衛(wèi)星激光通訊已顯示出應(yīng)用場(chǎng)景廣泛、市場(chǎng)潛力巨大的豁達(dá)前景。
應(yīng)用場(chǎng)景方面，不僅在軍事通訊領(lǐng)域作用重大，可以構(gòu)建軍事通訊網(wǎng)路，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊和絕密通訊等以外。在如下民用領(lǐng)域衛(wèi)星激光通訊開始凸顯出良好的應(yīng)用潛力：
市場(chǎng)前景方面，依據(jù)太平洋期貨預(yù)測(cè)，我國(guó)2027年衛(wèi)星激光通訊終端市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到130.38萬元，2024-2027年間CAGR將達(dá)68.4%。
2024-2027年中國(guó)衛(wèi)星激光通訊終端市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)（萬元）