小衛星激光通信終端技術現狀與發展趨勢探究

李 靜

（中國鐵塔股份有限公司 云南省分公司，云南 昆明 650000）

0 引 言

隨著激光通信技術的不斷發展，人們對商業衛星組網的應用需求不斷增加，商業衛星通信領域中逐漸將小微型激光通信終端技術作為研究重點。國內外全面研究了小衛星激光通信終端的關鍵技術和核心設備，并進行多次在軌實驗。

1 小衛星激光通信系統特點

小衛星激光通信系統作為一項復雜的光機電系統，因此包含光學、跟瞄以及通信多個分系統，其組成如圖1所示。

傳統衛星通信主要采用微波通信方式，小衛星激光通信主要采用高頻率激光作為通信載體。激光通信相比于微波通信具有速率高、通信抗干擾能力強、保密性好、體積小以及功耗低等優點。通信速率方面，激光通信載波頻率比傳統微波通信載波頻率高出多個數量級，因此可以傳輸更多信息[1-3]。抗干擾能力方面，由于激光發散角較窄，指向性較強，因此沒有衛星電磁頻譜資源限制約束，在激光通信中不易受到外界環境影響。安全性方面，由于小衛星激光通信使用波譜的波段為0.8～1.55μm，這一波段屬于不可見光，在激光通信中不易被發現，并且激光性質導致在空間中不易被捕獲，所以安全性與可靠性有所保證。體積功耗方面，由于激光波長比微波波長小多個數量級，因此收發光學天線、發射與接收設備重量更輕，體積更小。目前，小衛星平臺載荷較少，功耗較低，激光通信方式更能滿足需求[4-8]。

2 小衛星激光通信終端技術現狀

我國小衛星激光通信終端技術發展較晚，但是一直緊追國外技術。近年來，空間激光通信方面取得了巨大成就，為后續小衛星激光通信技術的發展奠定基礎。2011年，“海洋二號”激光終端成功進行星地激光鏈路捕獲跟蹤實驗，實現星地之間504 Mb/s的激光通信。2016年，“天宮二號”激光終端與河北興隆和新疆南山地面站進行多次星地激光通信，通信速率為1.6 Gb/s，“墨子號”衛星同樣在2016年首次開展星地高速相干激光通信實驗，最終實現通信距離為2 000 km，通信速率為5.12 Gb/s。2017年，“實踐十三號”在高軌衛星與地面進行雙向激光通信實驗，最終通信速率為5 Gb/s。2020年，“實踐二十號”開展高階相干激光通信終端在軌實驗，首次驗證QSOK相干激光通信技術，使通信速率最終高達10 Gb/s。

我國商業航天應用方面，已經有多家企業開展研制小衛星激光通信中端技術。“微厘空間一號”試驗衛星在2018年發射，搭載的小衛星激光通信終端對微納星座的激光星間鏈路技術進行適用性驗證。新技術實驗衛星C星與D星搭載的低軌小衛星激光在2020年實現低軌星間激光通信，雙向通通信速率最高為2.5 Gb/s，通信終端總質量為9 kg。隨著大量太空探索活動的開展，商業航天應用需求不斷增加，在衛星空間組網中，小衛星激光通信終端應用范圍更加廣闊，具有較好的發展前景。

近年來，國外小衛星激光通信終端在通信組網應用需求不斷增長的情況下得到了巨大發展，低成本小衛星激光通信終端大量應用在商業領域內。終端控制在10 kg量級，通信速率保持在100 Mb/s～10 Gb/s，主要應用于低軌通信系統。國外典型小衛星激光通信終端產品參數如表1所示。

表1 國外典型小衛星激光通信終端產品參數

3 小衛星激光通信終端關鍵技術

3.1 輕小型與低功耗設計技術

隨著通信技術與太空技術的不斷發展，小衛星激光通信組網應用需求不斷增長，其終端的互聯互通功能已經成為基礎需求。由于小衛星平臺的承載能力和搭載空間比較有限，因此在設計小衛星激光通信終端時重點分析終端的體積、重量以及功耗等方面，包括光學天線、光路模塊以及光路結構等部件的輕量化和小型化設計。

3.2 鏈路快速穩定建立技術

由于小衛星激光通信終端捕捉市場的范圍較為狹窄，因此在軌道內運動時需要不斷調整姿態，確保信號接收完整穩定。衛星平臺在軌道運動中會因為外界環境因素造成影響，不利于小衛星激光鏈路快速穩定建立。通過掃描凝視，小衛星激光通信終端可以調整激光光束空間指向，快速穩定建立激光鏈路。

3.3 小衛星平臺振動抑制技術

小衛星平臺在軌道運行中，由于衛星轉動部件正常運動會造成整個平臺產生較小的振蕩或往復運動，最終導致衛星通信終端發射與接收信號時出現偏差，效果降低，信息出現缺失。想要實現小衛星激光通信終端通信的可靠性，就必須抑制小衛星平臺振動，可以采用物理隔振裝置，反饋控制技術以及自適應帶寬抑制技術，避免震動影響正常通信。

3.4 批量化生產技術

小衛星激光中端相比于傳統衛星激光終端具有低成本與小型化的特點，目前已經廣泛應用于商業衛星激光通信網絡中。同時對小衛星激光終端數量有了更多要求，在實際生產中可以建立批量化生產線，采用自動化測試技術，快速組裝調試小衛星激光通信終端。

4 小衛星激光通信終端技術發展趨勢

隨著信息技術與互聯網技術的不斷普及以及信息化社會的快速發展。支撐人類活動的信息網絡從傳統地面平面通信網絡轉向為地面空間混合立體網絡，在立體通信網絡的延伸與發展中，快速構建衛星與衛星之間以及衛星與地面之間的高速穩定通信鏈路，并成為混合立體網絡的信息主干支撐。小衛星激光通信終端技術在信息化時代的背景下具有巨大發展空間，有利于重塑小衛星激光通信終端技術的設備性能、系統穩定性以及生產成本。隨著人類大量開展深空探測活動，目前已經對月球、火星以及小行星等進行了探測，且探測活動也逐漸從國家領域向商業領域發展。由于人類對太空探索的需求不斷增加，各種飛行器進行探索活動時需要與地球之間建立高速通信網絡，因此對小行星激光通信終端技術提出更高的要求。根據人類對小衛星激光通信終端技術的需求，小衛星激光通信終端技術將會向輕小型化、高速率化、低功耗、模塊化以及低成本方向發展[9,10]。

4.1 輕小型化與高速率化

小衛星激光通信終端技術相較于大衛星平臺，未來發展著重于輕小型化，在技術發展方面逐漸向高速率化方向發展。德國MLT-LS激光通信終端重量大約為20 kg，通信速率為10 Gb/s，T-OSIRIS激光通信終端重量大約為8 kg，美國Xen-Hub激光通信終端重量大約為15 kg，采用4路波分復用，通信速率也可以達到10 Gb/s。目前，國外小衛星激光通信終端逐漸向輕小型化發展，在輕小型化的基礎上確保通信速率需求基本可以達到10 Gb/s，甚至更高水平。傳統地面無線通信網絡已經發展至5G時代，通信網絡的處理速度和信息傳輸速度發展迅速，其中萬物互聯、無人駕駛以及虛擬現實等新興技術必須建立在5G通信網絡上，小衛星激光通信作為地空混合立體網絡高速互聯手段，通信速率的提高已經成為技術發展的需求。目前，地面光纖通信網絡的通信速率可以達到100 Gb/s，甚至更高，國內外小衛星激光通信速率最高只能達到10 Gb/s，遠遠不能滿足現階段技術發展需求。

4.2 低功耗

由于小衛星平臺載荷能量有限，導致小衛星激光通信終端逐漸向低功耗方向發展。法國Optel-μ激光通信終端的總功耗為45 W，德國CubeLCT激光通信終端的總功耗為8 W，美國ISOC小衛星激光通信終端的總功耗僅為1 W。結合國外小衛星激光通信終端技術發展情況發現，通信終端向低功耗方向發展，小衛星平臺激光通信終端對功耗需求越來越低。

4.3 模塊化

小衛星激光通信終端針對實際應用中不同場景與不同任務需求發展出不同模塊，將各種不同功能集成于模塊上，然后根據不同應用場景與不同任務需求組裝不同模塊可以滿足使用需求。小衛星激光通信終端發展呈現模塊化趨勢，有利于快速組建通信終端，方便零部件與各種組件批量生產。美國μLCD激光通信終端包括μLCD-10與μLCD-100兩種類型，主要應用于星間鏈路與星地鏈路場景中，通信速率的范圍為1～200 Gb/s，通信距離為1 000～8 000 km。

4.4 低成本

隨著航天領域不斷發展，商業需求不斷增加，在軌實驗驗證轉向商業應用成為小衛星激光通信終端技術未來發展趨勢。在未來，小衛星激光通信終端的生產方式主要為批量生產，加快生產速度的同時降低生產成本，滿足日益增長的商業航天需求。

5 結 論

衛星激光通信相比于傳統衛星微波通信具有通信速率快、抗干擾能力強、保密性好以及體積小的特點，因此衛星通信中將激光通信作為未來發展主要趨勢。隨著商業航天活動與技術的發展，對小衛星組網通信需求不斷增長，在一定程度上促進了小微型激光通信終端技術的進一步發展。在衛星互聯網建設與信息系統建設中，小衛星激光通信終端技術必然會發揮重要作用。