激光通信能夠實現超高速、安全的數據傳(chuan) 輸。隨著該技術逐漸成熟並開始規模化應用，它正深刻改變衛星星座、科學任務以及國防行動的形態。

2024年9月，《紐約時報》報道了一次引人矚目的飛行任務：一艘SpaceX太空艙搭載兩(liang) 名私人宇航員完成了首次商業(ye) 太空行走等多項壯舉(ju) 。文章的最後一句尤其值得注意：“他們(men) 還測試了Crew Dragon與(yu) SpaceX星鏈（Starlink）互聯網衛星星座之間的激光通信。”

迄今為(wei) 止，大多數在軌衛星仍通過無線電波或微波進行信息收發，所使用的頻段主要位於(yu) 3-31 GHz之間（超高頻），覆蓋S波段至Ka波段。運營著目前全球最大衛星星座的Starlink公司，則獲準使用40-50 GHz的V波段頻率。

頻率越高、波長越短，單一信號所能承載的數據量就越大。從(cong) 這一點看，向激光通信的轉變具有顛覆性意義(yi) 。約1.5 μm的電信激光波長，其對應頻率比Ka波段無線電波高出約1萬(wan) 倍。用於(yu) 該波段的激光器和電子器件已實現大規模商用，技術成熟度極高。

盡管激光通信終端（Laser Communication Terminals，LCT）經曆了數十年的發展才走向成熟，但如今這一技術已經真正“到位”。其發展過程中麵臨(lin) 過諸多重大技術挑戰，例如指向精度問題——要用極窄的激光光斑命中一顆以約3萬(wan) km/h速度飛行的衛星並非易事。然而這一難題已被解決(jue) ，且激光光斑直徑小的特性反而成為(wei) 優(you) 勢：相比無線電波，激光通信更難被竊聽。

當然，也仍存在新的技術挑戰，如反作用飛輪和太陽翼運動引起的微振動等問題。即便如此，NASA仍用一句話概括了LCT的核心優(you) 勢：“與(yu) 同類射頻係統相比，它重量更輕、功耗更低、占用空間更小。

激光通信終端如何工作

LCT的研發始於(yu) 20世紀70年代。要使其成為(wei) 如今可直接部署的成熟產(chan) 品，需要激光技術等多個(ge) 關(guan) 鍵領域取得重大進展。

激光源是LCT的核心組件之一，此外還包括：光束指向與(yu) 跟蹤係統；用於(yu) 發射和接收光信號的望遠鏡；將光信號轉換為(wei) 電信號的探測器。

星載激光源通常在近紅外波段工作，典型波長為(wei) 1064 nm或1550 nm。光束指向與(yu) 跟蹤係統確保激光即使跨越數萬(wan) 公裏，也能精確對準接收端。

粗指向通常由萬(wan) 向架完成，其精度優(you) 於(yu) 1°；精指向係統則補償(chang) 振動、抖動及相對運動，實現微弧度級對準精度。壓電器件（piezos）常用於(yu) 實現這種高速、微弧度級的精細控製。為(wei) 輔助指向和跟蹤，還可使用信標光束。

望遠鏡是LCT中體(ti) 積最大的部件，其口徑直接決(jue) 定係統整體(ti) 尺寸和通信距離。即便是激光束，在長距離傳(chuan) 播中也會(hui) 發生發散。因此，用於(yu) 地球同步軌道（GEO）衛星的LCT望遠鏡必須大於(yu) 僅(jin) 用於(yu) 近地軌道（LEO）衛星間鏈路（距離僅(jin) 數百公裏）的係統。基於(yu) 不同應用需求，主要LCT供應商已開發出多種不同尺寸和性能等級的產(chan) 品。

在接收端，雪崩光電二極管（APD）和先進的單光子探測器將光信號轉換為(wei) 電信號；隨後由數據處理單元完成調製、糾錯和加密，確保通信的可靠性與(yu) 安全性。

在建立鏈路時，發射終端通常采用螺旋掃描方式。通過初始的隨機“命中”，係統逐步計算出最佳指向方向。其核心挑戰在於(yu) 協調多個(ge) 不同的慣性與(yu) 參考坐標係：粗、精指向鏡；地球、太陽；以及收發衛星的軌道位置與(yu) 姿態——每一個(ge) 都擁有自身的坐標體(ti) 係。

邁向空間激光網絡

首個(ge) 星間激光鏈路於(yu) 2001年11月建立，當時歐洲地球同步軌道衛星Artemis與(yu) 地球觀測衛星SPOT 4成功實現通信。該係統采用60 mW激光二極管和25 cm口徑望遠鏡，實現了50 Mbit/s的數據速率，總質量160 kg，功耗150 W。

LCT在發展早期便被應用於(yu) 國防領域。2008年2月，德國研製的LCT搭載於(yu) 美國導彈防禦局的NFIRE衛星，用於(yu) 加速導彈跟蹤信息的遠距離傳(chuan) 輸。

NASA於(yu) 2013年啟動了月球激光通信演示任務（LLCD），在LADEE探測器與(yu) 地麵三座終端之間，成功演示了在38.5萬(wan) 公裏距離上實現最高622 Mbps的通信速率。

NASA月球激光通信演示（LLCD）光學模塊的計算機渲染圖。該光學模塊包含一個(ge) 0.5瓦的激光發射器，安裝在LADEE航天器外部，由一個(ge) 安裝在雙軸萬(wan) 向節上的直徑4英寸的望遠鏡組成。整個(ge) 係統重約65磅。

同年，GEO軌道的Alphasat發射，用於(yu) 演示GEO-地麵及GEO-LEO激光鏈路。2014年，國際空間站上的OPALS載荷測試成功，僅(jin) 用7秒就下傳(chuan) 了一段1969年阿波羅11號登月視頻，而同樣內(nei) 容通過傳(chuan) 統無線電鏈路需約12小時。

隨後，LCT被集成到Sentinel-1/2（LEO）和歐洲數據中繼衛星EDRS-A/C（GEO）中，構成“空間數據高速公路”。LEO與(yu) GEO之間超過3.5萬(wan) 公裏的星間鏈路完全由LCT完成，空間到地麵的數據速率達到1.8 Gbps。該係統自2016年起進入常態化運行。

歐洲數據中繼衛星(EDRS)-A是EDRS的第一個(ge) 節點。

NASA的激光通信中繼演示（LCRD）於(yu) 2021年進入GEO軌道，NASA隨後對其與(yu) 多個(ge) 地麵終端之間的通信進行了測試。通過LCRD，NASA工程師還驗證了激光通信係統能夠實現更高精度的導航能力。通過激光鏈路獲取的位置數據精度，明顯優(you) 於(yu) 傳(chuan) 統射頻通信。

激光通信中繼演示（LCRD）有效載荷安裝在LCRD支持組件飛行器（LSAF）上。LSAF上安裝有兩(liang) 個(ge) 光學模塊，它們(men) 產(chan) 生紅外激光，用於(yu) 與(yu) 地球之間傳(chuan) 輸數據。

2023年，LCRD作為(wei) 中繼站發揮了關(guan) 鍵作用。集成式LCRD低軌用戶調製解調器與(yu) 放大終端（ILLUMA-T）被送往國際空間站（ISS），成功建立了雙向激光通信鏈路。與(yu) 此同時，由NASA的“靈神星（Psyche）”探測任務創造了空間通信領域的紀錄：該任務在一次演示中，將視頻數據從(cong) 距地球3100萬(wan) 公裏的深空傳(chuan) 回地麵，為(wei) 未來地球軌道之外的載人任務奠定了技術基礎。該儀(yi) 器可發送和接收近紅外（NIR）信號，使用編碼的近紅外激光，以267 Mbps的速率向位於(yu) 加州的加州理工學院帕洛馬天文台的Hale望遠鏡傳(chuan) 輸數據。

SpaceX於(yu) 2022年開始部署激光通信終端（LCT）。其Starlink衛星最初的設計是接收來自地麵便攜式終端的信號，並將這些信號轉發至具備互聯網接入能力的下一處地麵站。隨著星間激光通信（即衛星與(yu) 同一或相鄰軌道平麵上的其他衛星直接通信）的實現，地麵站不再需要與(yu) 用戶終端處於(yu) 同一顆衛星的覆蓋範圍內(nei) 。這一變化有望對Starlink的整體(ti) 運行模式產(chan) 生重大影響。

激光通信終端的主要開發商

過去，LCT多為(wei) 試驗性部署，僅(jin) 歐洲數據中繼係統（EDRS）等少數係統用於(yu) 常態化業(ye) 務。如今，LEO星座運營商已開始批量采購。

市場領軍(jun) 者TESAT於(yu) 2024年8月投產(chan) 新工廠，產(chan) 能達每月100套LCT。TESAT表示，其終端在軌運行時間已超過50萬(wan) 小時，有10台已進入太空的光通信終端，是全球唯一具備成熟在軌驗證經驗的供應商。

TESAT-Spacecom成立於(yu) 2001年，總部位於(yu) 德國斯圖加特附近的巴肯南（Backnang）。該公司由一家成熟的衛星載荷企業(ye) 重組而來，並逐步成長為(wei) 行業(ye) 領軍(jun) 者。其曆史可追溯至AEG Telefunken，該公司於(yu) 1949年被迫離開柏林，隨後曆經多次更名與(yu) 股權變更。2001年，EADS Astrium（現為(wei) 空中客車防務與(yu) 航天公司的一部分）收購TESAT，並將其作為(wei) 獨立公司運營。如今，TESAT在全球雇傭(yong) 約1100名員工，主要集中在巴肯南。

2024年3月，SpaceX總裁格溫·肖特韋爾（Gwynne Shotwell）宣布，公司已開始對外銷售激光通信終端。2024年9月，SpaceX宣布成功測試了為(wei) 美國太空發展局（SDA）製造的兩(liang) 顆衛星之間的激光鏈路，但測試中使用的仍是TESAT的終端。該測試涉及四顆配備Leidos紅外傳(chuan) 感器和TESAT激光終端的衛星中的兩(liang) 顆。

與(yu) 此同時，其他LCT供應商也在持續推進技術演進。2024年6月，美國太空係統司令部宣布向四家公司授予合同，用於(yu) 開發激光通信終端原型，正式啟動總額1億(yi) 美元的“企業(ye) 級空間終端（Enterprise Space Terminal）”計劃第一階段。中標公司包括Blue Origin、CACI International、General Atomics、Viasat。

德國公司Mynaric此前贏得了諾斯羅普·格魯曼的訂單，成為(wei) 美國太空發展局Tranche 1運輸層與(yu) 跟蹤層計劃中光通信終端的唯一供應商。這也是該公司獲得的多項合同之一。不過，由於(yu) LCT產(chan) 能爬坡進展不及預期，Mynaric的CEO於(yu) 2024年夏季離職，公司市值大幅縮水，盡管其產(chan) 線擴張仍在繼續。

全球進展

全球多國紛紛在LCT技術領域展開相關(guan) 活動。

據中國日報網報道，我國已於(yu) 2024年2月成功將首個(ge) 雙向激光通信終端送入軌道。該終端由深圳的氦星光聯（HiStarlink）與(yu) 成都的國星宇航（AdaSpace）合作研製，其最大傳(chuan) 輸速率可達10 Gbps。

此前，我國於(yu) 2016年發射了名為(wei) “墨子號”的科研衛星，實現了全球首次基於(yu) 衛星的量子加密通信，通過向地麵站發送糾纏光子對建立安全鏈路。

日本方麵，NEC與(yu) 總部位於(yu) 加州的Skyloom全球公司展開合作，目標是在2025年前完成LCT的研發。

歐洲的國防承包商也加入競爭(zheng) 行列。泰雷茲(zi) ·阿萊尼亞(ya) 航天（Thales Alenia Space）開展了麵向量子通信的LCT研發；亨索爾特（Hensoldt）甚至將LCT推廣至潛艇通信應用。

激光對地通信的挑戰與(yu) 創新

激光與(yu) 地麵之間的通信仍被視為(wei) 一項高難度、極具象征意義(yi) 的技術突破，因為(wei) 雲(yun) 層、霧氣和大氣湍流隨時可能降低傳(chuan) 輸容量。因此，這類地麵站很可能選址於(yu) 高山或幹旱地區，類似於(yu) 天文望遠鏡的部署方式，並借鑒自適應光學等成像去模糊技術。

法國公司Cailabs提出了另一種思路。該公司提出利用光場空間組成/分解（demux）技術，在高數據速率下抑製大氣湍流影響。其專(zhuan) 有光學係統可支持多達45種模式的複用/解複用，每個(ge) 信道功率可達100W。目前，Cailabs已在地麵運行多條最長10公裏的測試鏈路。

接下來會(hui) 發生什麽(me)

大規模衛星星座無疑是LCT最具潛力的市場。僅(jin) Starlink、Kuiper和中國“千帆星座”就規劃了超過3萬(wan) 顆衛星。如果每顆衛星配備2–4台LCT，那麽(me) 每年所需終端數量將達到數千台。目前限製LCT部署的最大瓶頸仍是發射能力。此外，低軌衛星的平均壽命約7年，這意味著市場將持續存在更新需求。若單台LCT的價(jia) 格控製在100萬(wan) 美元以下，則可以粗略估算這一新興(xing) 市場的規模將達到每年約10億(yi) 美元。這一估算仍有待更深入的分析。

迄今為(wei) 止，最大的星座係統主要麵向終端用戶服務。Rivada Space Networks（一家德美合資公司）則引入了新的商業(ye) 維度：其計劃部署600顆衛星，服務對象涵蓋海事、通信、企業(ye) 、能源和政府部門。盡管Rivada尚未發射任何衛星，但其在2024年11月的新聞稿中表示，已為(wei) 其低軌網絡鎖定了超過130億(yi) 美元的業(ye) 務訂單。

這些市場都將進一步推動該技術的發展與(yu) 部署。Starlink最新一代用戶終端已經展示出令人矚目的性能，可用於(yu) 車輛和船舶。固定式終端在諸如巴西亞(ya) 馬孫雨林或澳大利亞(ya) 內(nei) 陸等欠發達地區也蘊含巨大機遇。物聯網的堅定支持者則期待實現任何時間、任何地點的高速上行鏈路。

飛機互聯網接入可能需要更複雜的解決(jue) 方案，而政府機構顯然會(hui) 確保其數據鏈路覆蓋戰機、火箭、潛艇等平台。這將進一步推動加密技術的發展。首批量子加密衛星通信已經實現，更多相關(guan) 應用正在快速推進。

德國公司MO-SPACE正在開發一種基於(yu) 平流層飛艇的激光與(yu) 量子通信網絡。這一構想具有多方麵優(you) 勢：飛艇的發射成本低於(yu) 衛星，回收更容易；飛艇可作為(wei) 衛星與(yu) 地麵站之間的中繼節點；在空間碎片風險方麵提供冗餘(yu) ；且不會(hui) 像衛星再入那樣對平流層環境造成影響。

平流層中的固定飛艇可以作為(wei) 低地球軌道(LEO)衛星進行自由空間數據傳(chuan) 輸的一種經濟高效的替代方案

與(yu) 衛星相比，飛艇還可以保持相對靜止並提供更低時延，從(cong) 而繞開雲(yun) 層遮擋問題。同時，飛艇比衛星更容易支持智能手機直連通信。盡管飛艇聽起來頗具“未來感”，但這一思路正在快速擴展。例如，總部位於(yu) 美國新墨西哥州阿爾伯克基附近的Sceye，也在籌備搭載 LCT 的高空飛艇平台。

未來已來

激光通信終端的概念已被討論40餘(yu) 年。如今它們(men) 已成為(wei) 現實，且已有數百套係統被低軌星座訂購。LCT的技術成熟度等級（TRL）已達到9級。結合價(jia) 格與(yu) 訂單規模，可以預見，一個(ge) 年規模約10億(yi) 美元的LCT硬件市場正在形成。

如果這一預期得以實現，LCT將成為(wei) 全球衛星星座的通信骨幹，支撐低時延互聯網連接。“隨時隨地上網、隻需一個(ge) 餐盤大小的天線”隻是起點；智能手機直連衛星將隨之而來，利用光學信號提升GPS精度也將成為(wei) 新的應用方向。創意仍在不斷湧現，快速的技術進步正推動這些創新走向日常生活。