技术视点｜激光通信在卫星测控中的应用分析

随着科技的飞速发展，卫星通信已成为现代社会不可或缺的一部分。卫星激光通信技术作为一种新兴的卫星通信方式，具有高速、高效、高带宽等优点，正在逐渐受到全球用户的关注。

卫星激光通信技术起源于20世纪80年代，当时主要集中在实验室研究和概念验证。随着技术的进步，特别是激光器和光电子技术的突破，卫星激光通信逐渐从实验室走向实际应用。进入21世纪后，随着多颗搭载激光通信设备的卫星成功发射，卫星激光通信技术开始在全球范围内得到广泛应用。

▲美国国家航空航天局（NASA）激光通信中继演示图

卫星激光通信技术国内外发展现状

激光通信技术在国内外都得到了广泛的应用与研究，当前主要参与国家有中国、美国、欧洲、日本、俄罗斯等国家和地区：

美国是激光通信技术的先行者之一，具有较为成熟的研发与应用。美国国家航空航天局（NASA）的多个探测任务中采用了激光通信技术，比如“月球勘测轨道飞行器（LRO）”和“火星科学实验室（Curiosity）”等，2022年开始starlink卫星都配备了激光星间链路。

欧洲空间局（ESA）也在积极开展卫星激光通信技术的研发与应用。该机构的“欧洲数据中继卫星二代（EDRS-C）”便利用卫星激光通信系统实现了高速宽带的地球观测数据传输。

日本同样在卫星激光通信领域具有一定的研发和应用经验。日本的“小行星探测器“隼鸟2号”（Hayabusa2）”利用了激光通信技术，实现与地球间的快速数据传输。

▲日本Warpspace公司激光通信卫星对外提供通信中继服务

俄罗斯航天局（Roscosmos）一直致力于研发和推进太空通信技术。俄罗斯航天局计划在未来几年内发射一系列具备激光通信能力的卫星，以提高卫星通信速率和可靠性。

在卫星激光通信方面，我国也已经取得了诸多成就：

“墨子号”科学实验卫星：我国的“墨子号”是我国首颗实现了空地激光通信的卫星，于2016年8月成功发射。它具备高速和安全的通信能力，为我国卫星激光通信技术的开发提供了重要基础。

▲“墨子号”科学实验卫星

中国北斗卫星系统的激光通信设备成功实现多次激光通信实验，且实验数据证明，卫星能以几千兆字节/秒的速度将数据传向地面。

2023年10月，长光卫星成功运用自主研发的车载激光通信地面站与“吉林一号”星座MF02A04星星载激光终端进行了星地激光高速图像传输试验。

▲长光卫星激光通信示意图

由于国外在激光通信技术方面有较长时间的研究和应用积累，特别是美国和欧洲等发达国家，而我国在这方面的研究起步晚，相关的设备、实验室等条件也不够完善，和欧美国家还存在一定的差距。目前，我国也在积极加大卫星激光通信技术的研发力度，推动该领域取得更多突破。

激光通信技术的原理

卫星激光通信技术利用激光束作为信息载体，通过在卫星间进行激光束的传输和接收来实现信息的传输。由于光束比较窄，对卫星的姿态、轨道精度等要求很高。信息传递的过程主要分为以下三步：

首先，激光通信系统利用激光器产生一束高度聚焦的激光束。通常采用氮化镓或二氧化碳激光器等，这些激光器能够产生稳定且高强度的光束。

一旦激光器发射出激光束，这束激光光束将被指向目标卫星。激光通信系统需要精确控制激光光束的方向和强度，以确保光束能够准确地传输到目标卫星所在的位置。

当激光束到达目标卫星后，卫星上的接收器将接收激光束，并将其转换为电信号。接收器会去除噪音、进行解调和误码校正等处理，最终将传输的数据恢复出来。

激光通信对卫星测控技术的需求

01

卫星姿态的控制

卫星激光通信技术在通讯领域中有一定优势，同时对卫星姿态，星座构型有较高的要求，卫星必须具备良好快速的姿态控制能力，以保持激光发射和接收设备在通信过程中的稳定性和准确性，卫星姿态控制不仅仅要考虑姿态控制精度，还要考虑稳定性，对地指向精度等因素。

▲洞察者-空间信息分析基础平台卫星姿态分析界面

02卫星轨道精度要求

卫星激光通信对轨道精度有着非常严格的要求。由于激光通信需要在地面站和卫星之间建立起稳定的光信道，以实现高速、高带宽的数据传输，因此需要确保卫星的轨道精度保持在非常精确的范围内。首先，卫星的轨道高度需要保持稳定，以确保光信号能够在地面站和卫星之间进行有效的传输。任何轨道高度的微小变化都可能导致光信号的损失和传输速率的下降。其次，需要保持轨道倾角、偏心率以及姿态的稳定性，以确保高质量的光信号传输和数据通信的可靠性。

▲ 洞察者-空间信息分析基础平台北斗星座仿真

03星座构型的要求

在激光通信系统中，独立分散的方式管理控制卫星是不可取的，必须合理设计星座构型，这样可以优化通信质量和覆盖范围。星座构型的设计能够保证测量数据快速传输、获取。具体来说，星座构型可以优化卫星位置和通信距离，有效地提高通信效率和容量，减少通信的延迟和丢失率，提高通信的可靠性和质量，也能提高覆盖范围，降低成本消耗。卫星激光通信系统中，星座构型的合理性和安全性至关重要。不同的应用场景需要采用不同的星座构型，以实现最佳的通信效果和产业经济效益。未来，随着卫星激光通信技术的不断发展和应用推广，星座构型的优化和实践也会成为重点研究领域之一，以满足不同卫星通信需求的不断变化和多样性。

卫星激光通信技术具有巨大的发展潜力。然而，在卫星测控中的应用仍存在一些技术难题需要解决。其中，在轨道预报、轨道确定和卫星姿态稳定方面的精度仍需要持续改进，以确保激光通信的捕获、跟踪和瞄准能够高效完成，从而建立高可靠性的通信系统。