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(kāi)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(guó)防行動(dòng)的形態(tài)。

2024年9月，《紐約時(shí)報(bào)》報(bào)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(xiàng)壯舉。文章的最后一句尤其值得注意：“他們還測(cè)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?！?/p>

迄今為止，大多數(shù)在軌衛(wèi)星仍通過(guò)無(wú)線電波或微波進(jìn)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(yùn)營(yíng)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(zhǎng)越短，單一信號(hào)所能承載的數(shù)據(jù)量就越大。從這一點(diǎn)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(zhǎng)，其對(duì)應(yīng)頻率比Ka波段無(wú)線電波高出約1萬(wàn)倍。用于該波段的激光器和電子器件已實(shí)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(guò)程中面臨過(guò)諸多重大技術(shù)挑戰(zhàn)，例如指向精度問(wèn)題——要用極窄的激光光斑命中一顆以約3萬(wàn) 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(shì)：相比無(wú)線電波，激光通信更難被竊聽(tīng)。

當(dāng)然，也仍存在新的技術(shù)挑戰(zhàn)，如反作用飛輪和太陽(yáng)翼運(yùn)動(dòng)引起的微振動(dòng)等問(wèn)題。即便如此，NASA仍用一句話概括了LCT的核心優(yōu)勢(shì)：“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(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域取得重大進(jìn)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(hào)的望遠(yuǎn)鏡；將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的探測(cè)器。

星載激光源通常在近紅外波段工作，典型波長(zhǎng)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(wàn)公里，也能精確對(duì)準(zhǔn)接收端。

粗指向通常由萬(wàn)向架完成，其精度優(yōu)于1°；精指向系統(tǒng)則補(bǔ)償振動(dòng)、抖動(dòng)及相對(duì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)微弧度級(jí)對(duì)準(zhǔn)精度。壓電器件（piezos）常用于實(shí)現(xiàn)這種高速、微弧度級(jí)的精細(xì)控制。為輔助指向和跟蹤，還可使用信標(biāo)光束。

望遠(yuǎn)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(zhǎng)距離傳播中也會(huì)發(fā)生發(fā)散。因此，用于地球同步軌道（GEO）衛(wèi)星的LCT望遠(yuǎn)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(kāi)發(fā)出多種不同尺寸和性能等級(jí)的產(chǎn)品。

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

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

邁向空間激光網(wǎng)絡(luò)

首個(gè)星間激光鏈路于2001年11月建立，當(dāng)時(shí)歐洲地球同步軌道衛(wèi)星Artemis與地球觀測(cè)衛(wèi)星SPOT 4成功實(shí)現(xiàn)通信。該系統(tǒng)采用60 mW激光二極管和25 cm口徑望遠(yuǎn)鏡，實(shí)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(guó)防領(lǐng)域。2008年2月，德國(guó)研制的LCT搭載于美國(guó)導(dǎo)彈防御局的NFIRE衛(wèi)星，用于加速導(dǎo)彈跟蹤信息的遠(yuǎn)距離傳輸。

NASA于2013年啟動(dòng)了月球激光通信演示任務(wù)（LLCD），在LADEE探測(cè)器與地面三座終端之間，成功演示了在38.5萬(wàn)公里距離上實(shí)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(jì)算機(jī)渲染圖。該光學(xué)模塊包含一個(gè)0.5瓦的激光發(fā)射器，安裝在LADEE航天器外部，由一個(gè)安裝在雙軸萬(wàn)向節(jié)上的直徑4英寸的望遠(yuǎn)鏡組成。整個(gè)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(guó)際空間站上的OPALS載荷測(cè)試成功，僅用7秒就下傳了一段1969年阿波羅11號(hào)登月視頻，而同樣內(nèi)容通過(guò)傳統(tǒng)無(wú)線電鏈路需約12小時(shí)。

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(guò)3.5萬(wàn)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(dá)到1.8 Gbps。該系統(tǒng)自2016年起進(jìn)入常態(tài)化運(yùn)行。

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

NASA的激光通信中繼演示（LCRD）于2021年進(jìn)入GEO軌道，NASA隨后對(duì)其與多個(gè)地面終端之間的通信進(jìn)行了測(cè)試。通過(guò)LCRD，NASA工程師還驗(yàn)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(guò)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(gè)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(guó)際空間站（ISS），成功建立了雙向激光通信鏈路。與此同時(shí)，由NASA的“靈神星（Psyche）”探測(cè)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(wàn)公里的深空傳回地面，為未來(lái)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(hào)，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(tái)的Hale望遠(yuǎn)鏡傳輸數(shù)據(jù)。

SpaceX于2022年開(kāi)始部署激光通信終端（LCT）。其Starlink衛(wèi)星最初的設(shè)計(jì)是接收來(lái)自地面便攜式終端的信號(hào)，并將這些信號(hào)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(shí)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(duì)Starlink的整體運(yùn)行模式產(chǎn)生重大影響。

激光通信終端的主要開(kāi)發(fā)商

過(guò)去，LCT多為試驗(yàn)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(yùn)營(yíng)商已開(kāi)始批量采購(gòu)。

市場(chǎng)領(lǐng)軍者TESAT于2024年8月投產(chǎn)新工廠，產(chǎn)能達(dá)每月100套LCT。TESAT表示，其終端在軌運(yùn)行時(shí)間已超過(guò)50萬(wàn)小時(shí)，有10臺(tái)已進(jìn)入太空的光通信終端，是全球唯一具備成熟在軌驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)的供應(yīng)商。

TESAT-Spacecom成立于2001年，總部位于德國(guó)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(lái)，并逐步成長(zhǎng)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(kāi)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(gòu)TESAT，并將其作為獨(dú)立公司運(yùn)營(yíng)。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(kāi)始對(duì)外銷售激光通信終端。2024年9月，SpaceX宣布成功測(cè)試了為美國(guó)太空發(fā)展局（SDA）制造的兩顆衛(wèi)星之間的激光鏈路，但測(cè)試中使用的仍是TESAT的終端。該測(cè)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(shí)，其他LCT供應(yīng)商也在持續(xù)推進(jìn)技術(shù)演進(jìn)。2024年6月，美國(guó)太空系統(tǒng)司令部宣布向四家公司授予合同，用于開(kāi)發(fā)激光通信終端原型，正式啟動(dòng)總額1億美元的“企業(yè)級(jí)空間終端（Enterprise Space Terminal）”計(jì)劃第一階段。中標(biāo)公司包括Blue Origin、CACI International、General Atomics、Viasat。

德國(guó)公司Mynaric此前贏得了諾斯羅普·格魯曼的訂單，成為美國(guó)太空發(fā)展局Tranche 1運(yùn)輸層與跟蹤層計(jì)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(xiàng)合同之一。不過(guò)，由于LCT產(chǎn)能爬坡進(jìn)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(kuò)張仍在繼續(xù)。

全球進(jìn)展

全球多國(guó)紛紛在LCT技術(shù)領(lǐng)域展開(kāi)相關(guān)活動(dòng)。

據(jù)中國(guó)日?qǐng)?bào)網(wǎng)報(bào)道，我國(guó)已于2024年2月成功將首個(gè)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(guó)星宇航（AdaSpace）合作研制，其最大傳輸速率可達(dá)10 Gbps。

此前，我國(guó)于2016年發(fā)射了名為“墨子號(hào)”的科研衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)了全球首次基于衛(wèi)星的量子加密通信，通過(guò)向地面站發(fā)送糾纏光子對(duì)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(kāi)合作，目標(biāo)是在2025年前完成LCT的研發(fā)。

歐洲的國(guó)防承包商也加入競(jìng)爭(zhēng)行列。泰雷茲·阿萊尼亞航天（Thales Alenia Space）開(kāi)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(duì)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(xiàng)高難度、極具象征意義的技術(shù)突破，因?yàn)樵茖?、霧氣和大氣湍流隨時(shí)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(yuǎn)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(guó)公司Cailabs提出了另一種思路。該公司提出利用光場(chǎng)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(dá)45種模式的復(fù)用/解復(fù)用，每個(gè)信道功率可達(dá)100W。目前，Cailabs已在地面運(yùn)行多條最長(zhǎng)10公里的測(cè)試鏈路。

接下來(lái)會(huì)發(fā)生什么

大規(guī)模衛(wèi)星星座無(wú)疑是LCT最具潛力的市場(chǎng)。僅Starlink、Kuiper和中國(guó)“千帆星座”就規(guī)劃了超過(guò)3萬(wàn)顆衛(wèi)星。如果每顆衛(wèi)星配備2–4臺(tái)LCT，那么每年所需終端數(shù)量將達(dá)到數(shù)千臺(tái)。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(chǎng)將持續(xù)存在更新需求。若單臺(tái)LCT的價(jià)格控制在100萬(wàn)美元以下，則可以粗略估算這一新興市場(chǎng)的規(guī)模將達(dá)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(jì)劃部署600顆衛(wèi)星，服務(wù)對(duì)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(guò)130億美元的業(yè)務(wù)訂單。

這些市場(chǎng)都將進(jìn)一步推動(dòng)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(dá)地區(qū)也蘊(yùn)含巨大機(jī)遇。物聯(lián)網(wǎng)的堅(jiān)定支持者則期待實(shí)現(xiàn)任何時(shí)間、任何地點(diǎn)的高速上行鏈路。

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

德國(guó)公司MO-SPACE正在開(kāi)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(shì)：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(diǎn)；在空間碎片風(fēng)險(xiǎn)方面提供冗余；且不會(huì)像衛(wèi)星再入那樣對(duì)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(jìn)行自由空間數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N經(jīng)濟(jì)高效的替代方案

與衛(wèi)星相比，飛艇還可以保持相對(duì)靜止并提供更低時(shí)延，從而繞開(kāi)云層遮擋問(wèn)題。同時(shí)，飛艇比衛(wèi)星更容易支持智能手機(jī)直連通信。盡管飛艇聽(tīng)起來(lái)頗具“未來(lái)感”，但這一思路正在快速擴(kuò)展。例如，總部位于美國(guó)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(tái)。

未來(lái)已來(lái)

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(shí)，且已有數(shù)百套系統(tǒng)被低軌星座訂購(gòu)。LCT的技術(shù)成熟度等級(jí)（TRL）已達(dá)到9級(jí)。結(jié)合價(jià)格與訂單規(guī)模，可以預(yù)見(jiàn)，一個(gè)年規(guī)模約10億美元的LCT硬件市場(chǎng)正在形成。

如果這一預(yù)期得以實(shí)現(xiàn)，LCT將成為全球衛(wèi)星星座的通信骨干，支撐低時(shí)延互聯(lián)網(wǎng)連接。“隨時(shí)隨地上網(wǎng)、只需一個(gè)餐盤大小的天線”只是起點(diǎn)；智能手機(jī)直連衛(wèi)星將隨之而來(lái)，利用光學(xué)信號(hào)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(jìn)步正推動(dòng)這些創(chuàng)新走向日常生活。