国防星载光通信与星间链路应用研究

导读：使用激光传输卫星数据，或称自由空间光通信(FSOC)是空间科学领域已被验证过的技术。如今，从美国初创企业到航空航天巨头和主要国防承包商，多家公司正在开发和销售FSOC技术，用于与地面站或在轨卫星或其他航天器之间的通信，速度高达每秒100千兆位。2022年以来，美国已启动多个测试或示范项目，如果成功，未来2～4年内，FSOC技术将开始在军事和商业星座中大规模部署。

随着地面和在轨反卫星威胁越来越多，分布式星座的必要性愈发凸显，天基系统必须尽最大可能确保下方的部队将继续获得各种关键的作战支持，例如预警、情报收集、导航和武器制导、通信和数据共享等等。

新兴的卫星激光终端使用光学技术以递送数据流量，提供比传统射频链路更高的传输数据速率，并且更难被拦截。这些终端是美军未来低地球轨道星座网络的重要构成元素。传输层中的卫星必须以非常低的延迟将空间中的数据传递到地面上的军事用户。整个星座需要卫星到卫星的光学交叉链接，以便把太空中收集的数据立即发送到地面的军事指挥中心。激光链路卫星网络还减少了对地面站的依赖，并将覆盖范围扩大到没有地面站的偏远地区。

对于美国军方的数据传输层，美国太空发展局(SDA)的每颗卫星将有三到五个激光链路，这样它们就可以与其他卫星、飞机、船只和地面站通话。SDA自2020年开始规划星座和采购卫星时，就把激光星间链路确立为实现理想低轨卫星网络的最关键技术之一。

NASA

通过调研航天领域可知，在过去的几年里，业界已经向NASA提供了三个空间FSOC系统的组件，计划在未来两年内发射，产品供应商为CACI公司。其中之一的ILLUMA-T系统将于今年被放置在国际空间站上。ILLUMA-T将使ISS成为NASA激光通信中继演示的第一个轨道应用，这是一颗去年发射的地球静止轨道(GEO)卫星，可以接收来自其他卫星和航天器的光通信，并将它们传送到地球。

NASA激光通信验证任务时间线

然后是计划于年内发射验证的Artemis Ⅱ光通信系统，简称O2O，将搭载Orion进行首次载人飞行。NASA计划在这个十年将宇航员带到月球，而O2O将展示光通信传输宽带数据的能力，从绕月轨道，未来甚至可能是火星。当美国宇航员50多年后首次返回月球区时，O2O将能够传输高分辨率的图像和视频，而不再是当年阿波罗11号登月时拍摄的静态、模糊、急促的黑白视频。Artemis Ⅱ将是首次展示激光通信技术的载人月球飞行，以高达每秒260兆比特的下行速率向地球发送数据。

国防应用的要求与NASA的深空计划大有不同，NASA与月球及更远的地方建立通信，且早已证明了这项技术的可用性。但他们的终端不是国防部的近地轨道卫星项目能负担得起的。SDA和DARPA项目必须挑战让业界制造小型低功耗终端，同时满足苛刻的性能目标。

SDA

在SDA进入之前，光通信行业一直在等待商业卫星星座来制定标准，但是多年来毫无起色。直到SDA在2021年发布了技术规范，为了竞争SDA的合同，光终端制造商必须遵守这些标准，这才逐步走上正轨。

SDA从多家制造商处购买卫星，要求所有的卫星都必须具有互操作性。光终端的投标方也必须确保他们的硬件可以与其他供应商的硬件互操作。众多制造商加入了SDA的卫星光学链路市场，包括GA-EMS、Honeywell、Tesat、Mynaric、Skyloom、Coherent、CACI等公司。

以CACI的产品为例。CACI的CrossBeam是一种完全集成的、紧凑耐用的自由空间光通信(FSOC)系统，具备低成本、大批量制造的设计条件。CrossBeam具有一个普通的半球形光束控制光学头(如图所示)，运行着精细的跟踪机制，以支持SDA的下一代卫星网络“扩散型作战人员空间架构”(PWSA)。CrossBeam还支持其他低地球轨道、中地球轨道和地球同步轨道(地理)应用。其高度可扩展的架构还可为飞机或地面终端的其他交联应用进行定制。

CACI高速光通信终端

此外，在卫星OISLs(通常每个卫星四个)与有效载荷数字处理器(通过RF天线连接到最终用户和网关)之间起接口作用的光子调制、路由和数字化(PMRD)单元是实现信号的灵活性、高效路由、冗余和高级多路复用的关键[1]。采用软件定义技术或是一种可行的举措。

进一步的带宽需求

对于SDA的星座，激光终端必须能够以每秒2.5千兆位的速度进行通信，但是供应商们表示，他们最新的终端可以达到每秒10千兆位，有些甚至高达100千兆位。

2022年6月14日，诺斯罗普·格鲁曼公司成功演示验证了一种新型加密激光通信终端Mynaric Condor Mk2。未来该公司计划为传输层1期星座引入更先进的Condor Mk3终端，可量产、更小、更轻型，数据速率较Mk2提升10倍，预期终端数据率介于100兆比/秒到100吉比/秒之间。如下图所示。

Mynaric的Condor MK3光通信终端

未来几年，为新的地球观测星座提供服务将需要大幅扩大带宽。由合成孔径雷达等新的地球观测技术创建的数据文件的庞大规模，意味着原始数据根本无法使用射频下载。这就是光通信真正的价值所在，它不仅能够发送星载处理过的信息，还能以非常安全的方式将原始数据发送到地面。商业SAR龙头Capella Space已经开始演示星间光学链路(OISL)，并力求与SDA的PWSA标准兼容。

现在真正的问题是，能否以每秒100千兆比特的速度，对一个信号进行波分多址接入，使其达到10倍的数据速率，也就是每秒1太比特。通信需求正在呈指数增长。这一目标已经在路线图上标注，据商业界判断它并不遥远。

小结

20多年来，通过各种各样的演示和大量的工程工作，星载光通信技术渐趋工业化。究其原因，是美国科技航天的需求对技术的投入促进了星载光通信的技术发展，先锋科研机构已经把风险降低到商界愿意押注的程度。天基国防军事需求的出现则引领了星载光通信技术的标准化和扩散，推动了商业界和政府更广泛地采用该技术。目前，美国在国防星载光通信应用领域已经走在世界前列，并且正向更高的通信带宽挑战发起冲击。

审核编辑 ：李倩