星鏈激光通信技術(shù)最新發(fā)展；我國衛星激光通信進(jìn)入高速發(fā)展階段

*光通信概述

隨著(zhù)航天任務(wù)和業(yè)務(wù)需求變得越來(lái)越復雜，衛星網(wǎng)絡(luò )需要收集并傳輸到地球的數據量正在迅速增加。傳統射頻(RF)通信在帶寬、頻率、儀器尺寸等方面具有局限性。因此，現在各國都正在開(kāi)發(fā)光通信來(lái)解決當前射頻系統的傳輸問(wèn)題。

 

*光通信優(yōu)勢

更快：更高的數據速率鏈路將使任務(wù)數據能夠使用更短的接觸時(shí)間下載，從而使用更少的星載航天器電源，并需要更少的中繼終端和地面站點(diǎn)來(lái)支持任務(wù)。

安全：光通信終端使用比射頻系統更窄的波束寬度。它們提供更小的照明“足跡”，通過(guò)大幅減少可攔截/接收通信鏈路的地理區域來(lái)提高安全性。

更輕：光通信飛行終端減少了用戶(hù)的尺寸、重量和功耗，因為它們比傳統的射頻通信設備更小、更輕并且需要更少的功率。

靈活：光通信開(kāi)啟了建造位于任務(wù)地點(diǎn)或數據中心的低成本地面部分（用于近地任務(wù)）的可能性，通過(guò)降低地面數據傳輸成本和整合某些任務(wù)操作功能來(lái)降低成本。

 

*光通信挑戰

精確對準：與無(wú)線(xiàn)電通信不同的是，無(wú)線(xiàn)電通信可以通過(guò)信號覆蓋目標區域的寬波束發(fā)送，而光通信則以直接指向接收器的相對較窄的波束發(fā)送。當從數千或數百萬(wàn)英里之外進(jìn)行廣播時(shí)，光通信望遠鏡的指向必須極其精確。即使是零點(diǎn)幾度的偏差也會(huì )導致激光完全偏離目標。

大氣干擾：地球的大氣層會(huì )干擾光通信，云和霧會(huì )中斷激光。解決方案是建立多個(gè)地面站，這些地面站是地球上接收紅外波的望遠鏡。如果某一站天氣多云，電波可以被重定向到另一個(gè)地面站。有了更多的地面站，網(wǎng)絡(luò )在惡劣天氣下可以更加靈活。其他方法，例如延遲/中斷容忍網(wǎng)絡(luò )和衛星陣列，以幫助應對來(lái)自大氣手段的挑戰。

 

Starlink激光通信最新進(jìn)展（主要是星間）

SpaceX 工程師 Travis Brashears 在近日舊金山舉行的 SPIE Photonics West（一場(chǎng)致力于光學(xué)和光技術(shù)突破的活動(dòng)）上發(fā)表講話(huà)，分享了一些有關(guān) Starlink 從太空高效傳輸互聯(lián)網(wǎng)的能力的有趣細節。 

·星鏈的主要互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)主要利用無(wú)線(xiàn)電波連接為客戶(hù)提供陸基通信。同時(shí)，利用激光連接在相距超過(guò)5400公里（3355英里）的衛星之間傳輸數據。

·激光器用光形成了一個(gè)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )。

·Brashears展示了一張幻燈片，描述了激光系統如何通過(guò)大約七個(gè)不同的路徑將數據傳輸到南極洲的星鏈天線(xiàn)。“我們可以在幾毫秒內動(dòng)態(tài)更改這些路線(xiàn)。因此，只要我們有到達地面[站點(diǎn)]的路徑，就可以獲得99.99% 的正常運行時(shí)間。這就是為什么在地面上部署盡可能多的節點(diǎn)非常重要。”

圖源：SpaceX

·激光系統減少了延遲并提高了全球覆蓋范圍，并且可以保持 100 Gbps 的穩定連接。

· SpaceX 的衛星群每天產(chǎn)生約 266,141 個(gè)激光連接，但有些連接可以持續數周，并達到 200 Gbps 的峰值數據傳輸速度。 

·通過(guò) 9,000 個(gè)激光器，星鏈每秒可以傳輸 5.6 TB 的數據。一天之內，Starlink 激光在衛星之間發(fā)射的數據量超過(guò) 42 PB。這相當于 2800 萬(wàn)小時(shí)的 1080p 高清視頻。

·星鏈衛星上使用的激光系統是基于第三代設計的。不過(guò)，這項技術(shù)最近已升級到第四代，這將加速衛星生產(chǎn)并降低成本。該公司還在致力于可持續發(fā)展業(yè)務(wù)，設計所有組件，使其不會(huì )堵塞近地軌道，從而完全燒毀當進(jìn)入行星大氣層時(shí)。

· 激光通信的絕對速度對于 SpaceX 或任何需要傳輸大量數據的航天器來(lái)說(shuō)是一個(gè)主要優(yōu)勢。事實(shí)證明，激光器是實(shí)現真正的全球覆蓋的關(guān)鍵因素。 

圖源：PCMag / Michael Kan

 

NASA激光通信（主要是星地）

隨著(zhù)科學(xué)儀器不斷發(fā)展以捕獲 4K 視頻等高清數據，任務(wù)將需要快速的方式將信息傳輸到地球。借助激光通信，NASA 可以顯著(zhù)加速數據傳輸過(guò)程并實(shí)現更多發(fā)現。光學(xué)或激光通信將比當前的射頻系統傳輸回地球的數據多 10 到 100 倍。

圖源：NASA/Dave Ryan

光通信系統非常適合執行任務(wù)，因為它們需要較小的體積、重量和功率。更少的質(zhì)量意味著(zhù)更多的科學(xué)儀器空間，更少的功率意味著(zhù)更少的航天器動(dòng)力系統消耗。

圖：NASA的激光通信中繼演示儀器

圖：TBIRD從近地軌道將數據下行傳輸到地球

使用當前的射頻系統將完整的火星地圖傳回地球大約需要九周的時(shí)間。如果使用激光，大約需要九天。

 

我國激光通信最新活動(dòng)

1、長(cháng)光衛星科研團隊利用自主研制的“吉林一號”平臺02A01星、平臺02A02星，開(kāi)展了我國首次星間激光100千兆比特每秒超高速高分辨遙感影像傳輸試驗并取得成功。截至2024年1月10日，長(cháng)光衛星先后完成了10千兆比特每秒及100千兆比特每秒速率的星間高速激光通信測試，穩定建鏈期間通信誤碼率為0，并將星間傳輸的高分辨遙感影像進(jìn)行了成功下傳，標志著(zhù)我國首次實(shí)現星間激光100千兆比特每秒超高速高分辨遙感影像傳輸。

2、2024年2月3日11時(shí)06分，由哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）牽頭研制的通遙一體化衛星系統“威海壹號”01/02星搭乘捷龍三號運載火箭在廣東陽(yáng)江附近海域點(diǎn)火升空，衛星順利進(jìn)入預定軌道，發(fā)射任務(wù)取得圓滿(mǎn)成功。星上搭載星地/星間激光通信、高分辨率可見(jiàn)光相機等載荷，通過(guò)多源信息融合和人工智能識別技術(shù)，能夠實(shí)現對海上目標的有效探測和識別?？蓪⑿堑丶す馔ㄐ潘俾侍嵘?0Gbps。

3、2024年2月3日，由國內激光通信企業(yè)氦星光聯(lián)自主研發(fā)的我國首個(gè)民營(yíng)自主可控的超高速星地雙向激光通信終端在廣東陽(yáng)江海域搭載捷龍三號火箭順利升空。該款通信終端為按星間建造規范研制的星地星間通用產(chǎn)品，關(guān)鍵性能符合衛星互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標準。支持同軌/異軌衛星組網(wǎng)應用，2.5G/5G/10G三檔傳輸速率可調，可滿(mǎn)足多用戶(hù)需求，并具備全天候復合場(chǎng)景適應性。建鏈時(shí)間15秒、傳輸速率10Gbps、鏈接精度4微弧度，各項關(guān)鍵指標均為我國星地激光鏈路試驗領(lǐng)先水平。

 

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