隨著空間技術、傳(chuan) 感技術等的發展，衛星及各種航天器所需的信息傳(chuan) 輸量呈指數級增長，目前空間通信所采用的以微波通信為(wei) 主的通信手段已難以滿足急劇增長的通信容量需求。空間激光通信具有較高的數據傳(chuan) 輸速率、較強的電磁抗幹擾能力和安全保密性能，且激光通信設備還具有體(ti) 積小、重量輕、能耗低等優(you) 點，被認為(wei) 是最有潛力革新空間通信的顛覆性技術。

高數據傳(chuan) 輸速率。空間激光通信的載波頻率範圍為(wei) 190THz～560THz，約為(wei) 微波通信頻率的數千倍乃至數萬(wan) 倍，具有巨大的寬帶提升空間，可實現更高的數據傳(chuan) 輸速率，使從(cong) 空間傳(chuan) 回海量視頻和高精度測量數據成為(wei) 可能，對於(yu) 自然災害監測、軍(jun) 事通信等具有重要的戰略意義(yi) 。

係統終端體(ti) 積小、質量輕、功耗低。相比於(yu) 微波，激光的波長要短數千至上萬(wan) 倍。波長越短，能量越高，所受的衍射作用越小，激光所需的發射和接收天線尺寸可以成倍縮小，使得激光通信係統終端的體(ti) 積、質量和功率都遠遠優(you) 於(yu) 微波通信，高度滿足空間應用對有效載荷小型化、輕量化、低功耗的要求。

抗電磁幹擾能力強、安全保密性高。空間激光通信采用激光作為(wei) 載波，激光光束極窄，發散角小於(yu) 1mrad（毫弧度），亮度和能量密度極高，信息傳(chuan) 遞不易被其他設備捕獲，且鄰近衛星間的通信幹擾也可忽略不計，具有較高的抗電磁幹擾能力和安全保密性能。

盡管存在諸多優(you) 勢，目前空間激光通信技術整體(ti) 而言仍處於(yu) 研究階段，尚麵臨(lin) 諸多技術挑戰，如激光通信較為(wei) 受製於(yu) 激光通信終端和探測器件、大氣湍流、大氣衰減等因素的影響和幹擾，空間激光通信所需的地麵基礎設施遠未完備，空間激光通信高頻帶高寬帶的技術優(you) 勢尚未完全挖掘等。

美國、歐洲、日本等均在空間激光通信技術領域投入巨資進行相關(guan) 技術研究和在軌試驗，對空間激光通信係統所涉及的各項關(guan) 鍵技術展開了全麵深入地研究，不斷推動空間激光通信技術邁向工程實用化。

（一）美國NASA加速發展空間激光通信技術

美國早期開展的“激光通信演示係統”（OCD）、“轉型衛星通信係統”（TSAT）等項目研究，為(wei) 後期技術發展奠定了良好的技術基礎。近年來，美國國家航空航天局（NASA）尤為(wei) 重視空間激光通信技術發展，並將其作為(wei) 重要優(you) 先事項，加速推進空間激光通信技術的發展和成熟，使近地任務和深空任務的空間通信更為(wei) 高效，以解決(jue) 未來空間飛行任務麵臨(lin) 的海量數據傳(chuan) 輸問題。

“月球激光通信演示驗證”項目。美國NASA於(yu) 2013年10月成功開展了“月球激光通信演示驗證”（LLCD）項目，從(cong) 月球軌道與(yu) 多個(ge) 地麵站分別進行了雙向激光通信試驗，創造了622兆比特/秒的下行數據傳(chuan) 輸速率新記錄，上行數據傳(chuan) 輸速率也達到20兆比特/秒，首次驗證了空間激光通信係統的可行性以及係統在空間環境中的可生存性。

“激光通信中繼演示驗證”項目。美國NASA正在開展的“激光通信中繼演示驗證”（LCRD）項目主要用於(yu) 驗證激光通信技術的有效性和可靠性等。該係統包括2個(ge) 地球同步軌道星載激光通信終端和2個(ge) 地麵激光通信終端。NASA計劃於(yu) 2019年發射星載激光通信終端至地球同步軌道，開展為(wei) 期2年的激光通信中繼演示驗證任務。任務中，位於(yu) 美國加州的地麵站將向距地約3.6萬(wan) 千米的地球同步軌道星載激光通信終端發射激光信號，隨後地球同步軌道星載激光通信終端將信號中繼到另一個(ge) 地麵站。目前，NASA“激光通信中繼演示”係統已成功通過關(guan) 鍵決(jue) 策點評審，進入開發整合與(yu) 測試階段。

“深空光學通信”項目。“深空光學通信”（DSOC）項目通信距離比“激光通信中繼演示驗證”項目更遠，致力於(yu) 研究激光通信對於(yu) 深空任務數據速率、占用空間和功耗的改進作用。“深空光學通信”係統激光通信裝置預計於(yu) 2023年搭載NASA“普賽克”航天器飛抵一顆由金屬元素組成的小行星，屆時將對激光通信技術進行測試。

“一體(ti) 化射頻與(yu) 光學通信”項目。NASA格倫(lun) 研究中心團隊正在開展“一體(ti) 化射頻與(yu) 光學通信”（IROC）概念研究，計劃向火星軌道發送一顆激光通信中繼衛星，用於(yu) 接收遠距離航天器的數據並將數據中繼至地球。“一體(ti) 化射頻與(yu) 光學通信”係統將使用射頻和激光集成通信係統，既可為(wei) 使用激光通信係統的新型航天器提供服務，也可為(wei) 使用射頻通信係統的傳(chuan) 統航天器提供服務，將有效促進NASA所有空間資產(chan) 間的互操作性。

（二）歐空局重點推進激光通信係統商業(ye) 化運營

歐空局（ESA）早期實施的“半導體(ti) 激光星間鏈路試驗”（SILEX）等項目首次驗證了低地球軌道（LEO）至地球同步軌道（GEO）的星間通信，項目取得的極大成功給了歐空局極大的信心。2008年底，歐空局決(jue) 定在其“歐洲數據中繼係統”（EDRS）中應用激光通信終端，以促進空間激光通信係統的研發和實施達到成熟階段，並以商業(ye) 模式運營。近年來，“歐洲數據中繼係統”取得了一係列突破性進展，成為(wei) 世界上首個(ge) 商業(ye) 化運營的高速率空間激光通信係統。

“歐洲數據中繼係統”是由歐空局和空客防務與(yu) 航天公司在“公私合作夥(huo) 伴關(guan) 係”（PPP）機製下共同研發的世界首個(ge) 獨立運行的商業(ye) 化空間激光通信係統， 其中歐空局負責係統研發，空客防務與(yu) 航天公司作為(wei) 項目主承包商負責係統的建造、發射和運營。“歐洲數據中繼係統”通過采用激光通信技術在地球靜止軌道為(wei) 近地軌道衛星、機載平台向歐洲地麵站近實時地中繼傳(chuan) 輸大量數據。“歐洲數據中繼係統” 一期係統的空間段包括兩(liang) 個(ge) 地球靜止軌道節點，分別是EDRS-A數據中繼有效載荷和配置了數據中繼有效載荷的EDRS-C專(zhuan) 用衛星。

“歐洲數據中繼係統”的首個(ge) 激光通信中繼載荷EDRS-A已於(yu) 2016年1月30日成功發射，邁出了構建全球首個(ge) 衛星激光通信業(ye) 務化運行係統的重要一步。EDRS-A可提供激光和Ka波段兩(liang) 種雙向星間鏈路，星間傳(chuan) 輸速率可達1.8吉比特/秒。在完成一係列在軌測試後，EDRS-A於(yu) 2016年6月成功傳(chuan) 輸了歐洲“哨兵”1A雷達衛星的圖像，並於(yu) 2016年7月進入業(ye) 務運行階段。EDRS-A載荷實現在軌服務，表明歐洲已率先實現星間高速激光通信技術的業(ye) 務化應用，是近年來歐洲航天技術快速發展的一個(ge) 重要裏程碑。

歐空局計劃在2020年擴展成為(wei) 全球覆蓋係統，形成以激光數據中繼衛星與(yu) 載荷為(wei) 骨幹的天基信息網，實現衛星、空中平台觀測數據的近實時傳(chuan) 輸。EDRS不僅(jin) 將滿足歐洲航天活動對空間數據傳(chuan) 輸速率、傳(chuan) 輸量和實時性日益增長的需求，更將使歐洲擺脫對非歐地麵站的依賴，保持空間通信的戰略獨立性。歐空局認為(wei) ，美國防部及其無人機機隊將是EDRS未來的主要市場。

（三）日本致力於(yu) 激光通信終端小型化研究

日本主要采取國際合作的方式進行空間激光通信技術研究，早期開展的“地麵軌道間激光通信演示驗證”（GOLD）等項目取得了巨大的成功，實現了世界首次低軌衛星與(yu) 地麵站及移動光學地麵站之間的激光通信試驗。近年來，為(wei) 保持空間激光通信技術方麵的優(you) 勢，日本開始向激光通信終端小型化、輕量化、低功耗方向發展。

“空間光通信研究先進技術衛星”計劃。日本“空間光通信研究先進技術衛星”（SOCRATES）計劃旨在驗證適用於(yu) 50千克級小衛星的“小型光學通信終端”（SOTA）。2014年5月，“小型光學通信終端”搭載低軌小衛星發射入軌，並於(yu) 2014年8月至11月間成功開展了低軌衛星對地激光通信試驗。“小型光學通信終端”總質量僅(jin) 為(wei) 5.8千克，最遠通信距離達1000千米，下行通信速率10兆比特/秒，可構建絕對安全的全球光通信網絡，使得飛機、衛星收集的高分辨率圖像數據可通過空間激光通信鏈路下傳(chuan) 至地麵站。

“激光數據中繼衛星”計劃。日本2015年1月9日公布的新版《宇宙基本計劃》將“激光數據中繼衛星”計劃正式列入其中，並於(yu) 2015財年下撥了32.08億(yi) 日元作為(wei) 啟動經費。日本計劃2019年發射“激光數據中繼衛星”，將當前數據中繼係統的微波鏈路替換為(wei) 激光鏈路，通過激光實現先進光學衛星等新一代高分辨率對地觀測衛星之間的通信，預設通信速率達2.5吉比特/秒，屆時將使日本獲得更高速的實時觀測能力。

空間激光通信的高速率和高安全性將不斷滿足航天活動對空間數據傳(chuan) 輸速率、傳(chuan) 輸量和實時性日益增長的需求，必將使其成為(wei) 未來空間通信的主要形式。深入挖掘和利用空間激光通信蘊含的巨大應用價(jia) 值，對增強當前空間信息傳(chuan) 輸的實時性、安全性以及未來深空探測意義(yi) 重大。

（一）滿足信息化戰爭(zheng) 對通信帶寬不斷增長的需求

現代信息化戰爭(zheng) 對通信帶寬的需求越來越大，如戰場遙感測繪信息、實時戰鬥高清圖像、強幹擾複雜電磁環境下的指令交互等無一例外需要穩定的信息傳(chuan) 輸技術做保障，使得對通信係統帶寬資源需求急劇增長。傳(chuan) 統微波衛星通信係統由於(yu) 成本高昂，且衛星軌道資源和頻譜資源日益緊缺，難以滿足作戰人員獲取實時戰場態勢數據的迫切需求。空間激光通信係統具有巨大的帶寬提升空間，可實現更高的數據傳(chuan) 輸速率，能夠充分保證戰場海量信息的實時性傳(chuan) 輸。同時，激光收發裝置和信號處理裝置體(ti) 積小、重量輕、功耗低，星上配備多個(ge) 激光收發裝置具備可行性，為(wei) 後續發展多天線激光通信技術奠定基礎，從(cong) 而可進一步提升數據傳(chuan) 輸速率，保證戰場信息的及時傳(chuan) 輸。

（二）保證戰場數據傳(chuan) 輸的安全性和穩定性

戰場數據傳(chuan) 輸的安全性和穩定性對於(yu) 確保作戰單元信息優(you) 勢的全程獲取和作戰效能的充分發揮至關(guan) 重要。傳(chuan) 統的微波通信技術由於(yu) 頻譜規劃的公開性以及信號旁瓣泄露問題，使得敵方極易通過信號偵(zhen) 收設備進行信號的分析和破解，造成安全隱患。同時，成熟的高功率寬帶電磁脈衝(chong) 技術也會(hui) 使傳(chuan) 統的衛星通信技術在戰場上被幹擾，失去戰場製信息權。空間激光通信具有高安全性特點，很難被竊取和幹擾，完全避免了傳(chuan) 統微波通信技術存在的不足，其極強的方向性波束使得信號的泄露幾乎可以忽略不計，且激光通信的高頻率和高帶寬也將使傳(chuan) 統的幹擾壓製手段失效。

（三）實現近地任務和深空任務高效空間通信

激光通信技術有望使數據傳(chuan) 輸速率比射頻通信提高至少10～100倍，可在從(cong) 低地球軌道到星際的所有空間區域中大幅提高數據傳(chuan) 輸速率，使近地任務和深空任務的空間通信更加高效。更高的數據傳(chuan) 輸速率意味著未來能從(cong) 太陽係內(nei) 任何位置傳(chuan) 輸直播視頻，還可增加載人深空探索任務的通信帶寬，從(cong) 而幫助研究人員更快地采集科學數據，研究塵暴或航天器著陸等突發事件，甚至從(cong) 其他行星表麵發送視頻。可以想象，空間激光通信網絡一旦建立，人類或將開啟至月球的快速可靠的數據連接網絡，甚至還可以連接至火星和更遙遠的星球，為(wei) 人類征服遙遠的星辰提供重要的通信支持。