導讀：使用激光傳輸衛星數據，或稱自由空間光通信(FSOC)是空間科學領域已被驗證過的技術。如今，從美國初創企業到航空航天巨頭和主要國防承包商，多家公司正在開發和銷售FSOC技術，用于與地面站或在軌衛星或其他航天器之間的通信，速度高達每秒100千兆位。2022年以來，美國已啟動多個測試或示范項目，如果成功，未來2～4年內，FSOC技術將開始在軍事和商業星座中大規模部署。

隨著地面和在軌反衛星威脅越來越多，分布式星座的必要性愈發凸顯，天基系統必須盡最大可能確保下方的部隊將繼續獲得各種關鍵的作戰支持，例如預警、情報收集、導航和武器制導、通信和數據共享等等。

新興的衛星激光終端使用光學技術以遞送數據流量，提供比傳統射頻鏈路更高的傳輸數據速率，并且更難被攔截。這些終端是美軍未來低地球軌道星座網絡的重要構成元素。傳輸層中的衛星必須以非常低的延遲將空間中的數據傳遞到地面上的軍事用戶。整個星座需要衛星到衛星的光學交叉鏈接，以便把太空中收集的數據立即發送到地面的軍事指揮中心。激光鏈路衛星網絡還減少了對地面站的依賴，并將覆蓋范圍擴大到沒有地面站的偏遠地區。

對于美國軍方的數據傳輸層，美國太空發展局(SDA)的每顆衛星將有三到五個激光鏈路，這樣它們就可以與其他衛星、飛機、船只和地面站通話。SDA自2020年開始規劃星座和采購衛星時，就把激光星間鏈路確立為實現理想低軌衛星網絡的最關鍵技術之一。

NASA

通過調研航天領域可知，在過去的幾年里，業界已經向NASA提供了三個空間FSOC系統的組件，計劃在未來兩年內發射，產品供應商為CACI公司。其中之一的ILLUMA-T系統將于今年被放置在國際空間站上。ILLUMA-T將使ISS成為NASA激光通信中繼演示的第一個軌道應用，這是一顆去年發射的地球靜止軌道(GEO)衛星，可以接收來自其他衛星和航天器的光通信，并將它們傳送到地球。

NASA激光通信驗證任務時間線

然后是計劃于年內發射驗證的Artemis Ⅱ光通信系統，簡稱O2O，將搭載Orion進行首次載人飛行。NASA計劃在這個十年將宇航員帶到月球，而O2O將展示光通信傳輸寬帶數據的能力，從繞月軌道，未來甚至可能是火星。當美國宇航員50多年后首次返回月球區時，O2O將能夠傳輸高分辨率的圖像和視頻，而不再是當年阿波羅11號登月時拍攝的靜態、模糊、急促的黑白視頻。Artemis Ⅱ將是首次展示激光通信技術的載人月球飛行，以高達每秒260兆比特的下行速率向地球發送數據。

國防應用的要求與NASA的深空計劃大有不同，NASA與月球及更遠的地方建立通信，且早已證明了這項技術的可用性。但他們的終端不是國防部的近地軌道衛星項目能負擔得起的。SDA和DARPA項目必須挑戰讓業界制造小型低功耗終端，同時滿足苛刻的性能目標。

SDA

在SDA進入之前，光通信行業一直在等待商業衛星星座來制定標準，但是多年來毫無起色。直到SDA在2021年發布了技術規范，為了競爭SDA的合同，光終端制造商必須遵守這些標準，這才逐步走上正軌。

SDA從多家制造商處購買衛星，要求所有的衛星都必須具有互操作性。光終端的投標方也必須確保他們的硬件可以與其他供應商的硬件互操作。眾多制造商加入了SDA的衛星光學鏈路市場，包括GA-EMS、Honeywell、Tesat、Mynaric、Skyloom、Coherent、CACI等公司。

以CACI的產品為例。CACI的CrossBeam是一種完全集成的、緊湊耐用的自由空間光通信(FSOC)系統，具備低成本、大批量制造的設計條件。CrossBeam具有一個普通的半球形光束控制光學頭(如圖所示)，運行著精細的跟蹤機制，以支持SDA的下一代衛星網絡“擴散型作戰人員空間架構”(PWSA)。CrossBeam還支持其他低地球軌道、中地球軌道和地球同步軌道(地理)應用。其高度可擴展的架構還可為飛機或地面終端的其他交聯應用進行定制。

CACI高速光通信終端

此外，在衛星OISLs(通常每個衛星四個)與有效載荷數字處理器(通過RF天線連接到最終用戶和網關)之間起接口作用的光子調制、路由和數字化(PMRD)單元是實現信號的靈活性、高效路由、冗余和高級多路復用的關鍵[1]。采用軟件定義技術或是一種可行的舉措。

進一步的帶寬需求

對于SDA的星座，激光終端必須能夠以每秒2.5千兆位的速度進行通信，但是供應商們表示，他們最新的終端可以達到每秒10千兆位，有些甚至高達100千兆位。

2022年6月14日，諾斯羅普·格魯曼公司成功演示驗證了一種新型加密激光通信終端Mynaric Condor Mk2。未來該公司計劃為傳輸層1期星座引入更先進的Condor Mk3終端，可量產、更小、更輕型，數據速率較Mk2提升10倍，預期終端數據率介于100兆比/秒到100吉比/秒之間。如下圖所示。

Mynaric的Condor MK3光通信終端

未來幾年，為新的地球觀測星座提供服務將需要大幅擴大帶寬。由合成孔徑雷達等新的地球觀測技術創建的數據文件的龐大規模，意味著原始數據根本無法使用射頻下載。這就是光通信真正的價值所在，它不僅能夠發送星載處理過的信息，還能以非常安全的方式將原始數據發送到地面。商業SAR龍頭Capella Space已經開始演示星間光學鏈路(OISL)，并力求與SDA的PWSA標準兼容。

現在真正的問題是，能否以每秒100千兆比特的速度，對一個信號進行波分多址接入，使其達到10倍的數據速率，也就是每秒1太比特。通信需求正在呈指數增長。這一目標已經在路線圖上標注，據商業界判斷它并不遙遠。

小結

20多年來，通過各種各樣的演示和大量的工程工作，星載光通信技術漸趨工業化。究其原因，是美國科技航天的需求對技術的投入促進了星載光通信的技術發展，先鋒科研機構已經把風險降低到商界愿意押注的程度。天基國防軍事需求的出現則引領了星載光通信技術的標準化和擴散，推動了商業界和政府更廣泛地采用該技術。目前，美國在國防星載光通信應用領域已經走在世界前列，并且正向更高的通信帶寬挑戰發起沖擊。

審核編輯 ：李倩