激光通信終端規模化應用：開啟太空寬帶互聯新時代

遠望智庫開源情報中心 編譯

激光通信能夠實現超高速、安全的數據傳輸。隨著該技術逐漸成熟并開始規模化應用，它正深刻改變衛星星座、科學任務以及國防行動的形態。

2024年9月，《紐約時報》報道了一次引人矚目的飛行任務：一艘SpaceX太空艙搭載兩名私人宇航員完成了首次商業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）互聯網衛星星座之間的激光通信。”

迄今為止，大多數在軌衛星仍通過無線電波或微波進行信息收發，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星星座的Starlink公司，則獲準使用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據量就越大。從這一點看，向激光通信的轉變具有顛覆性意義。約1.5 μm的電信激光波長，其對應頻率比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大規模商用，技術成熟度極高。

盡管激光通信終端（Laser Communication Terminals，LCT）經歷了數十年的發展才走向成熟，但如今這一技術已經真正“到位”。其發展過程中面臨過諸多重大技術挑戰，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勢：相比無線電波，激光通信更難被竊聽。

當然，也仍存在新的技術挑戰，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的核心優勢：“與同類射頻系統相比，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的研發始于20世紀70年代。要使其成為如今可直接部署的成熟產品，需要激光技術等多個關鍵領域取得重大進展。

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；

• 用于發射和接收光信號的望遠鏡；

• 將光信號轉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確保激光即使跨越數萬公里，也能精確對準接收端。

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

望遠鏡是LCT中體積最大的部件，其口徑直接決定系統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生發散。因此，用于地球同步軌道（GEO）衛星的LCT望遠鏡必須大于僅用于近地軌道（LEO）衛星間鏈路（距離僅數百公里）的系統。基于不同應用需求，主要LCT供應商已開發出多種不同尺寸和性能等級的產品。

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換為電信號；隨后由數據處理單元完成調制、糾錯和加密，確保通信的可靠性與安全性。

在建立鏈路時，發射終端通常采用螺旋掃描方式。通過初始的隨機“命中”，系統逐步計算出最佳指向方向。其核心挑戰在于協調多個不同的慣性與參考坐標系：粗、精指向鏡；地球、太陽；以及收發衛星的軌道位置與姿態——每一個都擁有自身的坐標體系。

邁向空間激光網絡

首個星間激光鏈路于2001年11月建立，當時歐洲地球同步軌道衛星Artemis與地球觀測衛星SPOT 4成功實現通信。該系統采用60 mW激光二極管和25 cm口徑望遠鏡，實現了50 Mbit/s的數據速率，總質量160 kg，功耗150 W。

LCT在發展早期便被應用于國防領域。2008年2月，德國研制的LCT搭載于美國導彈防御局的NFIRE衛星，用于加速導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（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最高622 Mbps的通信速率。

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

同年，GEO軌道的Alphasat發射，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，而同樣內容通過傳統無線電鏈路需約12小時。

隨后，LCT被集成到Sentinel-1/2（LEO）和歐洲數據中繼衛星EDRS-A/C（GEO）中，構成“空間數據高速公路”。LEO與GEO之間超過3.5萬公里的星間鏈路完全由LCT完成，空間到地面的數據速率達到1.8 Gbps。該系統自2016年起進入常態化運行。

歐洲數據中繼衛星(EDRS)-A是EDRS的第一個節點

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能夠實現更高精度的導航能力。通過激光鏈路獲取的位置數據精度，明顯優于傳統射頻通信。

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上安裝有兩個光學模塊，它們產生紅外激光，用于與地球之間傳輸數據。

2023年，LCRD作為中繼站發揮了關鍵作用。集成式LCRD低軌用戶調制解調器與放大終端（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）”探測任務創造了空間通信領域的紀錄：該任務在一次演示中，將視頻數據從距地球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奠定了技術基礎。該儀器可發送和接收近紅外（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院帕洛馬天文臺的Hale望遠鏡傳輸數據。

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

激光通信終端的主要開發商

過去，LCT多為試驗性部署，僅歐洲數據中繼系統（EDRS）等少數系統用于常態化業務。如今，LEO星座運營商已開始批量采購。

市場領軍者TESAT于2024年8月投產新工廠，產能達每月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驗的供應商。

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星載荷企業重組而來，并逐步成長為行業領軍者。其歷史可追溯至AEG Telefunken，該公司于1949年被迫離開柏林，隨后歷經多次更名與股權變更。2001年，EADS Astrium（現為空中客車防務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展局（SDA）制造的兩顆衛星之間的激光鏈路，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激光終端的衛星中的兩顆。

與此同時，其他LCT供應商也在持續推進技術演進。2024年6月，美國太空系統司令部宣布向四家公司授予合同，用于開發激光通信終端原型，正式啟動總額1億美元的“企業級空間終端（Enterprise Space Terminal）”計劃第一階段。中標公司包括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，成為美國太空發展局Tranche 1運輸層與跟蹤層計劃中光通信終端的唯一供應商。這也是該公司獲得的多項合同之一。不過，由于LCT產能爬坡進展不及預期，Mynaric的CEO于2024年夏季離職，公司市值大幅縮水，盡管其產線擴張仍在繼續。

全球進展

全球多國紛紛在LCT技術領域展開相關活動。

據中國日報網報道，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（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年發射了名為“墨子號”的科研衛星，實現了全球首次基于衛星的量子加密通信，通過向地面站發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，目標是在2025年前完成LCT的研發。

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；亨索爾特（Hensoldt）甚至將LCT推廣至潛艇通信應用。

激光對地通信的挑戰與創新

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，類似于天文望遠鏡的部署方式，并借鑒自適應光學等成像去模糊技術。

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，在高數據速率下抑制大氣湍流影響。其專有光學系統可支持多達45種模式的復用/解復用，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。

接下來會發生什么

大規模衛星星座無疑是LCT最具潛力的市場。僅Starlink、Kuiper和中國“千帆星座”就規劃了超過3萬顆衛星。如果每顆衛星配備2–4臺LCT，那么每年所需終端數量將達到數千臺。目前限制LCT部署的最大瓶頸仍是發射能力。此外，低軌衛星的平均壽命約7年，這意味著市場將持續存在更新需求。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，最大的星座系統主要面向終端用戶服務。Rivada Space Networks（一家德美合資公司）則引入了新的商業維度：其計劃部署600顆衛星，服務對象涵蓋海事、通信、企業、能源和政府部門。盡管Rivada尚未發射任何衛星，但其在2024年11月的新聞稿中表示，已為其低軌網絡鎖定了超過130億美元的業務訂單。

這些市場都將進一步推動該技術的發展與部署。Starlink最新一代用戶終端已經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陸等欠發達地區也蘊含巨大機遇。物聯網的堅定支持者則期待實現任何時間、任何地點的高速上行鏈路。

飛機互聯網接入可能需要更復雜的解決方案，而政府機構顯然會確保其數據鏈路覆蓋戰機、火箭、潛艇等平臺。這將進一步推動加密技術的發展。首批量子加密衛星通信已經實現，更多相關應用正在快速推進。

德國公司MO-SPACE正在開發一種基于平流層飛艇的激光與量子通信網絡。這一構想具有多方面優勢：

• 飛艇的發射成本低于衛星，回收更容易；

• 飛艇可作為衛星與地面站之間的中繼節點；

• 在空間碎片風險方面提供冗余；

• 且不會像衛星再入那樣對平流層環境造成影響。

平流層中的固定飛艇可以作為低地球軌道(LEO)衛星進行自由空間數據傳輸的一種經濟高效的替代方案

與衛星相比，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。如今它們已成為現實，且已有數百套系統被低軌星座訂購。LCT的技術成熟度等級（TRL）已達到9級。結合價格與訂單規模，可以預見，一個年規模約10億美元的LCT硬件市場正在形成。

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

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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本文轉載自“臨空視野”，原標題《激光通信正在掀起一場無聲革命》。

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