星间激光链路（OISL）的优劣势分析

导读：星间激光链路(OISL)利用激光束作为载波在空间进行图像、语音、信号等信息传递，具有传输速率高、抗干扰能力强、系统终端体积小、质量轻、功耗低等优势，可以大幅降低卫星星座系统对地面网络的依赖，从而减少地面信关站的建设数量和建设成本。本文分析OISL的优势和缺点，并为后续的国防应用、组网能力和基于商业星座的应用研究提供基础。

光学星间链路的优劣势分析

传统的商业卫星使用微波或无线电频率信号在星间和星地间进行通信。LEO星座则大多以微波频率与地面通信。然而，对于LEO卫星来说，基于激光的卫星间通信是一种很有前景的替代办法。这是由于卫星之间的距离相对较短，并且在太空中也不会受大气对光的吸收或折射。在OISL中，数据被编码在通过小型望远镜投射的近红外激光束上。光被接收卫星上的望远镜收集，检测，然后解调。

OISL与微波或RF通信相比具有重要优势。首先，近红外光的频率在数百太赫兹范围内，支持比低频微波高得多的数据速率。与更长波长的微波相比，近红外波长也经历低得多的衍射。这使得激光束被准直并长距离传输，而不会在光束直径方面扩散太多。例如，具有100mm准直光束直径的1.55微米波长的激光器在5000km范围内只能扩展到100m直径。这是无法通过较长波长的电磁辐射(例如微波)实现的。

这样做的一个优点是，长距离传输高数据速率OISL信号所需的功率更少。最小化功耗在卫星系统中至关重要。同样重要的是，高度空间受限的OISL光束更加难以拦截或利用。具体来说，只能通过将另一个接收系统直接移动到光束路径中来实现。这使得OISL成为一种非常安全的通信方法。

如同地面长距离光网络一样，OISL也可以利用相干光通信在尺寸、功耗和成本限制内最大化带宽。相干光通信不是简单地使用激光束的强度(振幅)调制来编码数据，而是还可以使用相位、偏振和频率调制来将单个收发器模块的带宽增加八倍。

基于这些原因，新型低轨通信星座公司要么已经采用了OISL，要么表示它们最终计划实施OISL。其中最著名和最先进的是美国的SpaceX——Starlink星座将采用OISL实现空间组网，达到网络优化管理以及服务连续性的目标;竞争对手Telesat的Lightspeed、LeoSat和Amazon的Kuiper也表示将使用OISL。而传统星座Iridium NEXT则设置了Ka频段星间链路。按照目前公布的资料来看，O3b、OneWeb和Globalstar星座未设置星间链路。

总结来说，星间微波链路具有技术相对成熟，可靠性较高，波束相对较宽，跟瞄捕获容易等优势。与微波链路相比，星间激光链路优势明显，包括高速、高安全性、较低的能耗、高可靠性等。具体体现为：

同时，星间激光链路的缺点包括：对大气的敏感性、需要高精度的定位和跟踪、对设备和技术的要求高、星间干扰以及成本较高等。这些因素都可能限制了激光链路在天基领域的推广和应用。

导致激光星间链路技术部署延迟的一个因素是：激光通信是一种全新的模式。射频通信从Ku频段到Ka频段可能需要更换天线，但基本上是相同的技术，是一个渐进的变化。但是激光通信技术与之不同，它不使用天线，而是使用光纤放大器。这种模式的转变对工程的挑战是巨大的，尤其在卫星高速运动时的精度指向方面。星间激光链路因波束窄而导致瞄准、捕获、跟踪(PAT)系统复杂，因此PAT技术是激光星间链路的关键技术之一。

此外，OISL的通信机制与无线链路有很大不同，因此现有的无线链路拓扑优化算法很难适应OISL的约束。需要充分考虑OISL的多重复杂约束，如最大链路距离、地球遮挡、终端视野、终端数量和固定链路等。还要考虑链路切换优化策略、点对点链路延迟和终端空闲率成本等。

因此，虽然确定激光通信系统的数据传输速率比基于无线电的系统快得多，但是太空辐射对光学终端的影响，以及电子设备是否能承受太空发射的压力等，仍是需要测试的因素。例如，2021年6月，太空发展局(SDA)就发射了两组微型卫星，以测试“传输层”(Transport Layer)星座将要采用的“光学星间链路”(OISL)技术。其中两颗“曼陀罗2型”(Mandrake II)卫星专门用于测试卫星之间的激光链路，据承包商CACI宣称，已在2022年4月14日的一次试验中实现了在100km链路距离上的闭环跟踪和数据传输，40多分钟内发送和接收了200多千兆位的数据。另两颗“激光互联与网络通信系统”(LINCS)卫星用于测试卫星与MQ-9“捕食者”无人机之间的空天激光链路。

综上，光学链路能够提供高速、高带宽的数据传输，同时具有低延迟、低能耗、抗干扰等优点，可以满足星座网络对高速通信的需求。但是为了保证通信的可靠性和稳定性，目前星间链路可能仍然需要射频星间链路作为备份。

虽然商业界在OISL技术开发方面取得了重大成就(例如其他CCSDS工作、在轨OISL演示、国防部和商业界合作等。)但在轨的成功操作演示仍然是有限的。因此，作为对未来低轨卫星星座通信的风险降低措施，射频(RF)星间链接将合理地在低轨传输层的CDR阶段设计中作为备份。相信随着技术的不断发展和完善，激光星间链路会逐渐成为主流通信技术。