事关星链话语权，我国500毫米口径激光通信在帕米尔高原完成部署

在这场事关深空话语权的竞赛中，动辄数千甚至上万枚卫星进入太空后，如何实现卫星与卫星、卫星与地球的信息交互呢？

一年之前，我国低调地在吉林省完成了一项神秘的“黑科技”试验，引发了西方国家的密集关注和无数猜想。我国首次利用激光，实现了卫星与地球的高速图像通讯。这是我国首个独家、自主完成的星地激光高速图像传输试验，标志着我国在太空通讯领域跻身于世界顶尖水平。

今年9月底，据中国科学院发文称，中国科学院空天信息创新研究院自主研制的500毫米口径激光通信地面系统在帕米尔高原完成部署，标志着我国首个业务化运行的星地激光通信地面站正式建成并进入常态化运行阶段。

该发文相当低调，甚至没有出现在当天的热搜中，但一直关心并追踪我国航空航天领域的壹零社小编却清楚，随着地面系统的建成并运行，意味着我国已经全面打通了星地激光通信全链条业务流程，最直接地影响就是该项目足以改变我国目前卫星数据接收仅靠微波地面站的现状。

随着我国航天技术的快速提升，卫星技术呈现变革性发展的态势，卫星探测产生的数据呈几何级增长，海量数据无法及时下传的问题日益突出，该问题严重制约了我国太空资源的高效利用。

“仅依靠设施规模扩充和局部技术指标提升，已无法满足未来星地高速通信的需求，迫切需要颠覆性创新技术体制，以彻底解决星地通信速率瓶颈问题。”空天院高级工程师李亚林说。

在这样的大背景下，星地激光通信技术开始浮出水面。

追本溯源，激光通信本身是光通信的分支，而在公元前700多年的华夏大地，烽火台已成为一种独特的通信手段。

这种古老的信号传递系统，以烽火为信息源，运用“点燃与熄灭”的简单二进制编码进行信息调制，大气层作为其传输的媒介，而信息的接收与解读则依赖于人的视觉与思维。尽管这种通信方式存在诸如天气影响、安全性不足、信息量有限和传输距离短等缺陷，但它无疑是通信技术的重要起点。

时光流转至1880年，贝尔发明了世界上第一部光学电话，标志着光通信技术的一次飞跃。该设备采用弧光灯作为信号源，利用话筒的薄膜进行信号调制，并通过光电池实现信号的接收。到了第二次世界大战期间，这一技术得到进一步发展，实现了长达五英里的无线光通信。为了增强通信的保密性，此时的光源已转换为红外线。

进入20世纪60年代，高锟与G.A.Hockham基于一系列理论研究，提出了光纤通信的构想。他们预测，通过技术优化，光波导材料的衰减率能够降至20dB/km，使得光纤具备每秒传输十亿位数字信号的能力。事实证明了他们的远见，仅仅四年后，材料技术的进步便满足了这一预测，光纤通信由此揭开了人类通信史上崭新的一页。

经过多年发展和迭代之后，目前卫星间主要借助微波和激光进行通信，微波通信相对成熟且应用极为广泛。但是随着航天装备应用的逐步深入，航天频率资源越来越紧张.而且经常出现频率干扰问题，而卫星间激光通信具有高可靠性、高码率、信道容量大等优点，开始逐渐成为卫星通信的主要方式。

激光通信是一种利用激光技术进行信息传输的通信方式。它通过发送和接收激光脉冲信号来实现高速、长距离的数据传输。激光通信具有较高的直达性和方向性，能够在空间中传播较远的距离而几乎不产生衰减。

简单而言，激光通信就是卫星向地面发射一束激光，地面的接收器接收到激光后，就完成了信息传递。

大众其实对于激光通信并不会感到陌生，这是由于我们日常生活中的光纤通信就是激光通信的一种。根据传输介质的不同，激光主要分为三类：光纤通信，激光大气通信，自由空间激光通信。

相对人们熟悉的光纤通信，大气通信单光束速率可达10Gb/s以上，优点是设备类别简单且通信容量大，但非常容易受到雨雪沙尘等天气影响。

与激光大气通信的最大不同在于，自由空间激光通信主要用在太空领域，因此信道环境充斥着各种复杂的电磁波，在系统组成、关键部件和传输容量上倒是跟大气通信相差不大。

自由空间激光通信既可用于卫星-卫星通信+(星星传输)，也可用于卫星·地面通信(星地传输)。

国际上已经公认激光通信是进行星际旅行和太空移民时最佳的通信方式，最近几年，国内外对自由空间激光通信的研发投入不断加快。

我国早在2017年，就成功进行了国际首次高轨卫星-地面的双向激光通信试验，实测距离地球近4万公里的卫星和地面之间(星地传输)的通信速率达到5Gbps。

国际上，SpaceX在2020年进行了一次试验，两颗Starlink互联网卫星利用搭载的激光通讯载荷，传输了数百GB的数据(星星传输)，为布局SpaceX公司的天基网络提供了重要参考。

激光通信的主要难点在于，如何让卫星上的激光能够精确地射向地球上的接收器。近地卫星距离地球足足有100公里，而月球、火星等探测卫星距离地球的距离甚至可以达到几十上百万公里。如果激光发射的角度稍微有一点偏差，地球上的接收器就无法接收到激光信号。

此外，激光在大气层还会发生折射，导致激光传输的角度发生变化。由于天体的运动和地球的自转等因素，目标接收器的位置也会发生变化，这些都为激光通信带来了巨大的挑战。

中国在星地激光通信领域的技术发展已达到世界领先水平。早在2017年，我国新一代高轨技术试验卫星实践十三号搭载的激光通信终端就成功进行了国际首次高轨卫星对地高速激光双向通信试验，取得了圆满成功，为后续的规模化组网应用奠定了基础。

而此次空天院利用自主研制的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星开展了星地激光通信实验，通信速率达到10Gbps，所获取的卫星载荷数据质量良好，满足高标准业务化应用需求，这表明中国在星地激光通信技术上已经具备了实际应用的能力。

星地通信之外，星间通信也是卫星通信系统中的另一重要组成部分，星间链路技术通过建立卫星之间的信息互联系统，能够提升信息交互的速度，这对于大规模卫星星座的组网至关重要。

卫星主要以电磁波为载波信号进行无线连接。根据电磁波所处的频段不同，星间通信技术可分为微波通信、太赫兹通信、激光通信。

长期以来，微波通信是卫星互联网的主要传输手段，用于连接星地、星间各类链路，具有技术成熟、传输距离远、覆盖范围广等优势。太赫兹通信所用波段位于红外激光和微波之间，频率范围为0.1~10THz(波长为30 um~3 mm)，与微波通信相比波束窄、方向性好、在大气层外衰减较小，目前尚处于实验研究阶段，产业成熟度较低。

然而，随着卫星及各种航天器所需的通信容量呈指数增长，微波通信已难以满足急剧增长的通信容量需求，星间激光通信被认为是最具潜力的空间通信技术。

除本身特性上的优势外，由于激光通信不受国际电信联盟的监管，所以可以在不支付任何费用的情况下随意使用。而就微波通信而言，在发射卫星之前如果采用射频通信+技术就必须从想要发送射频波束的每个国家申请许可证并支付与每个许可制度相关的费用。

反观激光通信不受国际电信联盟的监管，可以不受限制地使用，不需要昂贵的许可证。这是因为其集束状态所占空间极小可以使信息拥有高度保密性，避免了干扰问题。因此激光通信技术在星间的应用也会使频谱资源的争夺放缓，未来甚至不需再去申请频谱已发射卫星。

在巨大的利益诱惑下，即便是马斯克之前对激光卫星的思路表示嘲讽，但其2022年发射的所有卫星依旧配备了激光链路，可见低轨卫星激光通信链路已经成为了国际趋势。

尽管成熟的地面光通信技术可为星间激光通信提供强大的技术和产业支撑，但由于卫星孤悬于太空并处于高速移动状态，受太空极端环境的影响，星间激光通信在传输介质、系统环境、节点移动性、链路稳定性、能源供给、系统运维等方面与地面光纤通信系统存在显著差异，星间激光通信技术目前整体仍处于起步阶段，尚面临诸多技术挑战。

无论是星地通信还是星间通信，都更偏向近地激光通信，而再进一步则是深空激光通信。

深空通信是地球与遥远深空飞行器建立联系的信息桥梁，与近地激光通信相比，深空激光通信面临着更大的信号衰减和更复杂的信道条件，这使得光束PAT技术的难度显著提高。为了满足链路的要求，需要同时增强发射光功率、提升收发天线的增益、优化瞄准捕获跟踪策略、提高接收端的灵敏度以及纠错编码增益，由此会使系统的设计变得更加复杂。

目前，只有美国进行了深空激光通信在轨试验验证。我国现阶段正在开展深空激光通信关键技术的攻关，并已规划进行月球到地球激光通信的演示验证工作。

深空激光通信从最初的月球-地球40万千米，一直发展到0.1~2 AU，未来将达到5 AU甚至更远。更远的通信距离可实现火星、木星等超远距离深空探测任务信息的回传，但也极大增加了激光通信系统的设计难度，主要涉及到的关键技术包括超远距离PAT技术、高功率光发射技术、地面超大口径光学天线技术和超高灵敏度单光子探测技术等。

目前，深空激光通信的演示验证主要采用直接从深空航天器将数据传回地球的“单跳”通信模式。但是，光学地面站易受天气条件的影响，导致较低的可用性。为了提高可用性，需要在全球范围内多点部署光学地面站。另一种模式是“多跳”通信模式，即深空航天器先与GEO卫星或空间站通信，再经中继传回地球。

NASA太阳系互联网构想图

在这种模式中，深空航天器与中继卫星之间使用激光通信，而中继卫星到地球则可以使用微波或激光通信。这种方法不仅显著提高了通信可用性，而且通过多星网络增强了系统可靠性。

深空探索虽然面临很多困难，但无论是从经济角度还是航天航空战略角度看，深空探索都是需要攻坚拿下的目标，而通信也是各国深空布局中必须啃下的硬骨头。

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。

除我国持续推动卫星激光技术及产业发展外，美国自2015年起，在卫星激光通信技术领域不断推进验证、演示项目及商业应用，SpaceX公司于2015年启动了“星链”计划，并在2019年成功发射了首批60颗卫星，它们之间采用激光通信技术，标志着卫星激光通信技术开始迈向产业化。

美国进行的Optical Communication and Sensor Demonstration（OCSD）卫星项目，证明了小型卫星利用激光链路可以实现与地面高速通信，突破了激光通信在体积和质量上的限制。OCSD-A卫星于2015年10月发射升空，而OCSD-B/C卫星则在2017年11月发射，均成功验证了通过激光链路实现高数据传输速率的可行性。

同样，由麻省理工学院、佛罗里达大学以及美国航空航天局埃姆斯研究中心共同开发的立方体卫星激光通信系统CLICK，也被用于星间和星地激光通信的验证。该系统能够展示低SWaP（尺寸、重量和功耗）的激光终端，并实现全双工的高数据速率下行链路和星间连接，从而提升测距的精确度及时间同步能力。

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。

欧洲方面，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。

总体来看，卫星激光通信技术已经成为全球科技竞争的重要焦点。各国通过不断的技术创新和市场拓展，力图在这一新兴领域占据领先地位。

自古至今，人类对神秘的宇宙充满了好奇心和探索欲。从曹操北征乌桓得胜回师写下“日月之行，若出其中；星汉灿烂，若出其里”到唐代诗人李白的“举头望明月，低头思故乡”，再到明代航海家郑和下西洋，仰观天象导航，人类对宇宙的探索从未停歇。

时光荏苒，我国航天事业从“东方红一号”卫星的成功发射，到嫦娥探月、天问探火，再到“天宫”空间站的建立，一步步将古人的天文梦想变为现实。正如古人所言，“天地玄黄，宇宙洪荒”，宇宙的辽阔无垠激发了人类无尽的想象力和探索精神。而在数代人的努力下，相信“中国梦”会在太空中熠熠生辉。

微信订阅