卫星激光通信时代即将到来

姓名：王鑫磊

学号：21011110262

学院：通信工程学院

转载自：https://mp.weixin.qq.com/s/4tfjRmVEshYfIV22dH6vZA

【嵌牛导读】目前，多家初创企业和相关投资者都在关注应用于卫星的激光通信技术。随着未来数以万计的卫星将被送入轨道，空间激光通信被视为一项关键的使能技术。随着客户对实时通信的需求，高通量卫星的能力和日益降低的入轨成本为通信卫星创造了新的用途。对此，包括NASA在内的众多利益相关者认为，卫星在太空中进行激光通信的时代已经到来。

【嵌牛鼻子】卫星通信，激光通信

【嵌牛提问】卫星激光通信将如何为下一代通信技术赋能？

【嵌牛正文】

1.NASA将演示往返GEO的激光通信

NASA正准备开始试验其第一个双向激光通信中继演示（LCRD）。LCRD设备于2021年12月随STPSat-6卫星发射升空，计划测试一个双向、端到端的光通信系统，该系统的数据传输速率比传统的射频通信系统快10~100倍。

2017年，光通信和传感器演示（OCSD）项目展示了从太空到地面站的高速激光通信下行链路，实现了2.5Gbps的数据速率。OCSD激光系统被“硬安装”在卫星主体上，通过控制整个卫星的姿态来改变光束指向

LCRD耗资3.2亿美元，预计将为NASA的“阿尔忒弥斯”月球探索计划和其他深空计划的光通信系统铺平道路。由于现代的太空探测的任务更加复杂，有更多的数据要收集和传送，因此需要更高带宽的传输技术，而光通信可以满足要求。

LCRD计划的总体目标不仅是使NASA受益，也是为了加速光通信行业的发展。据市场研究机构NSR预计，到2031年，卫星光通信设备的销售将达到20亿美元。

LCRD在地球同步轨道上运行，包括两个光学通信终端，每个都是双向光通信设备，数据可以在一个终端设备上接收，然后通过另一个设备转发至目的地。不仅是空间通信，LCRD还将执行太空到地面的激光通信演示。与太空中的通信不同，对地光通信的主要挑战是地球的大气层和云。由于激光波束很窄，因此太空对地光通信很可能受到恶劣天气的干扰，此时必须调整，激光信号转由其他地方的接收器来接收。而这需要大量的实地操作经验，然后才能将光通信投入实用。

NASA 的激光通信中继演示位于地球同步轨道（GEO），预计将于 4 月开始实验，以展示光学技术并验证光学中继的使用

LCRD的演示将持续至少两年，以积累不同大气条件下的运行经验。在试验期间，两个地面站将充当模拟用户，其中一个地面站将激光信号发送至LCRD，然后LCRD再将信号转发至另一个地面站。试验将通过观察两个地面站位置的大气和云层覆盖情况来测量系统性能。另外，将空地信号传输手段在激光与射频之间切换也是本次演示的目标之一。

在实验阶段之后，LCRD的首个操作用户是国际空间站。地面站安装在日本，它将接收来自空间站的科学数据，预计传输速率可达1.2Gbps，这几乎是NASA在2013年测试月球激光通信速率622Mbps的两倍。

NASA还计划使用LCRD来模拟深空探测的光通信，未来将用于小行星带探测器与地球的通信。当然，深空探测会带来独特的技术挑战。例如随着深空探测器的远去，激光信号可能会快速损耗。深空激光通信的另一个挑战是光束的指向性问题，因为激光束十分狭窄，因此信号指向必须跨越数百万千米的距离，精确对准目标接收站的位置。

2022年深空光通信（DSOC）将在深空测试激光通信技术。相关技术将在NASA的Psyche小行星探测器上飞行，实验将在Psyche于2026年到达位于火星和木星轨道之间的16 Psyche小行星后开始

2.卫星激光通信的技术突破

致力于太空市场研究的NSR公司的分析师表示，随着越来越多卫星星座发射升空，将推动光卫星通信行业的显著增长。

NSR公司于2022年2月发布了第四份光卫星通信报告。报告预计，到2031年，光卫星通信设备市场将达到20亿美元，主要服务于各种卫星星座的建设；而且该行业将以47%的复合年增长率来加速增长，预计未来10年对激光通信终端设备的需求可能达到6000多台。

有几家公司正在参与这项竞争。例如德国Mynaric公司，于2009年从德国航空航天中心DLR孵化出来。Mynaric公司提供了名为Condor的光学星间链路（OISL）的星载终端，以及可用于飞机进行空对空或空对地数据链路的名为Hawk的机载终端。OISL可以通过红外激光连接卫星、高空飞机、无人机和地面系统等，其中Condor MK3型终端在太空中可以提供高达100Gbps的数据率，传输距离可达5000千米。

激光通信设备未来也会用在飞机上面，以提升空-天或空-地的通信速率

一些企业高管和分析师认为，未来通信的技术方案将发生变化。例如射频（RF）通信容易被干扰，而且由于频段有限的原因，RF通信的发展受制于国际电信联盟（ITU）的许可。而激光通信不需要许可证，而且更难以被拦截或干扰。理论上激光器可以提供高达13.16Tbps的传输速率，而无线电射频的最大传输速率为36Gbps。

天基激光通信面临的一个挑战是目前缺乏统一标准，当然总体来说，市场上最大的赢家可能是产业链下游的服务提供商。

其他公司诸如SpaceX和亚马逊等也在尝试开发各自的解决方案，例如SpaceX已经部署了部分具备激光通信能力的卫星，未来将这种技术部署扩展到整个星座。对此，分析师认为虽然这些公司很积极地支持激光通信技术，但他们不太可能成为上述激光通信终端设备的用户，特别是考虑到他们的供应链通常较为封闭。当然，也正因为如此，SpaceX等公司也不太可能成为Mynaric等公司的主要竞争对手。

3.蓬勃发展的市场

随着来自SpaceX、Telesat、亚马逊和其他公司的低轨道（LEO）不断建设卫星星座，Mynaric等光通信供应商看到了一个蓬勃发展的市场。据Mynaric称，当今光通信在电信和军用市场的潜在总额为只有8亿美元，而到2030年可能增长到超过100亿美元，最终可能将超过200亿美元。

LCRD低地球轨道用户调制解调器和放大器终端。

有分析师表示，该领域的市场增长受到几个宏观趋势的支持：

（1）美国军方的太空防御预算的复合年增长率达22%，军方正在扩建由1250颗小卫星组成的星座。

（2）五角大楼对其自己的卫星进行重组，其指挥、控制、计算机、通信、情报、监视和侦察等方面的预算增长了8%。

（3）新的案例推动商业在轨卫星在未来10年内从现在的4800颗增加到35000多颗，其中每年发射2000多颗卫星。

Mynaric公司的卫星光通信系统的应用潜力巨大

据分析师估计，在接下来的四年里，Mynaric公司的收入可以增长到2.61亿欧元（2.86亿美元），复合年增长率为100%。

Mynaric的客户包括诺斯罗普-格鲁门公司，以及Telesat、Space Link、Cappella Space、美国军方和其他公司等。

Mynaric的Condor终端的平均售价为25万美元，其每个设备的毛利率目标是30%~35%，每颗卫星需要四个Condor终端来构建有效的通信网络。Hawk终端的价格将与Condor相同，此外该产品为商用飞机MRO市场带来新机遇。

诺斯罗普-格鲁门公司最近几周赢得了美国太空开发署（SDA）的7亿美元合同，成为OISL星座的三个供应商之一。Mynaric也在该项目当中，提供了Condor MK2终端设备，最大数据传输速率高达20Gbps。

相关人士表示，这一市场的快速增长主要由政府项目推动，因此该领域非常关注政府方面动向。Mynaric公司在2021年第三季度开设新的工厂，其目标是自2022年起每年生产400~500个终端设备，未来产能将达到年产2000个。