衛(wèi)星激光通信時(shí)代即將到來

  ICC訊 目前，多家初創(chuàng)企業(yè)和相關(guān)投資者都在關(guān)注應(yīng)用于衛(wèi)星的激光通信技術(shù)。

  隨著未來數(shù)以萬計(jì)的衛(wèi)星將被送入軌道，空間激光通信被視為一項(xiàng)關(guān)鍵的使能技術(shù)。隨著客戶對實(shí)時(shí)通信的需求，高通量衛(wèi)星的能力和日益降低的入軌成本為通信衛(wèi)星創(chuàng)造了新的用途。對此，包括NASA在內(nèi)的眾多利益相關(guān)者認(rèn)為，衛(wèi)星在太空中進(jìn)行激光通信的時(shí)代已經(jīng)到來。

  NASA將演示往返GEO的激光通信

  NASA正準(zhǔn)備開始試驗(yàn)其第一個(gè)雙向激光通信中繼演示(LCRD)。LCRD設(shè)備于2021年12月隨STPSat-6衛(wèi)星發(fā)射升空，計(jì)劃測試一個(gè)雙向、端到端的光通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率比傳統(tǒng)的射頻通信系統(tǒng)快10~100倍。

  2017年，光通信和傳感器演示(OCSD)項(xiàng)目展示了從太空到地面站的高速激光通信下行鏈路，實(shí)現(xiàn)了2.5Gbps的數(shù)據(jù)速率。OCSD激光系統(tǒng)被“硬安裝”在衛(wèi)星主體上，通過控制整個(gè)衛(wèi)星的姿態(tài)來改變光束指向。

  LCRD耗資3.2億美元，預(yù)計(jì)將為NASA的“阿爾忒彌斯”月球探索計(jì)劃和其他深空計(jì)劃的光通信系統(tǒng)鋪平道路。由于現(xiàn)代的太空探測的任務(wù)更加復(fù)雜，有更多的數(shù)據(jù)要收集和傳送，因此需要更高帶寬的傳輸技術(shù)，而光通信可以滿足要求。

  LCRD計(jì)劃的總體目標(biāo)不僅是使NASA受益，也是為了加速光通信行業(yè)的發(fā)展。據(jù)市場研究機(jī)構(gòu)NSR預(yù)計(jì)，到2031年，衛(wèi)星光通信設(shè)備的銷售將達(dá)到20億美元。

  LCRD在地球同步軌道上運(yùn)行，包括兩個(gè)光學(xué)通信終端，每個(gè)都是雙向光通信設(shè)備，數(shù)據(jù)可以在一個(gè)終端設(shè)備上接收，然后通過另一個(gè)設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)至目的地。不僅是空間通信，LCRD還將執(zhí)行太空到地面的激光通信演示。與太空中的通信不同，對地光通信的主要挑戰(zhàn)是地球的大氣層和云。由于激光波束很窄，因此太空對地光通信很可能受到惡劣天氣的干擾，此時(shí)必須調(diào)整，激光信號轉(zhuǎn)由其他地方的接收器來接收。而這需要大量的實(shí)地操作經(jīng)驗(yàn)，然后才能將光通信投入實(shí)用。

  NASA 的激光通信中繼演示位于地球同步軌道(GEO)，預(yù)計(jì)將于 4 月開始實(shí)驗(yàn)，以展示光學(xué)技術(shù)并驗(yàn)證光學(xué)中繼的使用。

  LCRD的演示將持續(xù)至少兩年，以積累不同大氣條件下的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。在試驗(yàn)期間，兩個(gè)地面站將充當(dāng)模擬用戶，其中一個(gè)地面站將激光信號發(fā)送至LCRD，然后LCRD再將信號轉(zhuǎn)發(fā)至另一個(gè)地面站。試驗(yàn)將通過觀察兩個(gè)地面站位置的大氣和云層覆蓋情況來測量系統(tǒng)性能。另外，將空地信號傳輸手段在激光與射頻之間切換也是本次演示的目標(biāo)之一。

  在實(shí)驗(yàn)階段之后，LCRD的首個(gè)操作用戶是國際空間站。地面站安裝在日本，它將接收來自空間站的科學(xué)數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)傳輸速率可達(dá)1.2Gbps，這幾乎是NASA在2013年測試月球激光通信速率622Mbps的兩倍。

  NASA還計(jì)劃使用LCRD來模擬深空探測的光通信，未來將用于小行星帶探測器與地球的通信。當(dāng)然，深空探測會帶來獨(dú)特的技術(shù)挑戰(zhàn)。例如隨著深空探測器的遠(yuǎn)去，激光信號可能會快速損耗。深空激光通信的另一個(gè)挑戰(zhàn)是光束的指向性問題，因?yàn)榧す馐知M窄，因此信號指向必須跨越數(shù)百萬千米的距離，精確對準(zhǔn)目標(biāo)接收站的位置。

  2022年深空光通信(DSOC)將在深空測試激光通信技術(shù)。相關(guān)技術(shù)將在NASA的Psyche小行星探測器上飛行，實(shí)驗(yàn)將在Psyche于2026年到達(dá)位于火星和木星軌道之間的16 Psyche小行星后開始。

  總之，據(jù)NASA預(yù)計(jì)，到2030年，光通信技術(shù)將成為空間通信網(wǎng)絡(luò)的主流。該激光通信網(wǎng)絡(luò)可以在各相關(guān)方之間無縫運(yùn)行，最終大大提高衛(wèi)星通信的效率，并降低通信的成本。

  衛(wèi)星激光通信的技術(shù)突破

  致力于太空市場研究的NSR公司的分析師表示，隨著越來越多衛(wèi)星星座發(fā)射升空，將推動光衛(wèi)星通信行業(yè)的顯著增長。

  NSR公司于2022年2月發(fā)布了第四份光衛(wèi)星通信報(bào)告。報(bào)告預(yù)計(jì)，到2031年，光衛(wèi)星通信設(shè)備市場將達(dá)到20億美元，主要服務(wù)于各種衛(wèi)星星座的建設(shè);而且該行業(yè)將以47%的復(fù)合年增長率來加速增長，預(yù)計(jì)未來10年對激光通信終端設(shè)備的需求可能達(dá)到6000多臺。

  有幾家公司正在參與這項(xiàng)競爭。例如德國Mynaric公司，于2009年從德國航空航天中心DLR孵化出來。Mynaric公司提供了名為Condor的光學(xué)星間鏈路(OISL)的星載終端，以及可用于飛機(jī)進(jìn)行空對空或空對地?cái)?shù)據(jù)鏈路的名為Hawk的機(jī)載終端。OISL可以通過紅外激光連接衛(wèi)星、高空飛機(jī)、無人機(jī)和地面系統(tǒng)等，其中Condor MK3型終端在太空中可以提供高達(dá)100Gbps的數(shù)據(jù)率，傳輸距離可達(dá)5000千米。

  激光通信設(shè)備未來也會用在飛機(jī)上面，以提升空-天或空-地的通信速率。

  一些企業(yè)高管和分析師認(rèn)為，未來通信的技術(shù)方案將發(fā)生變化。例如射頻(RF)通信容易被干擾，而且由于頻段有限的原因，RF通信的發(fā)展受制于國際電信聯(lián)盟(ITU)的許可。而激光通信不需要許可證，而且更難以被攔截或干擾。理論上激光器可以提供高達(dá)13.16Tbps的傳輸速率，而無線電射頻的最大傳輸速率為36Gbps。

  天基激光通信面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是目前缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)然總體來說，市場上最大的贏家可能是產(chǎn)業(yè)鏈下游的服務(wù)提供商。

  其他公司諸如SpaceX和亞馬遜等也在嘗試開發(fā)各自的解決方案，例如SpaceX已經(jīng)部署了部分具備激光通信能力的衛(wèi)星，未來將這種技術(shù)部署擴(kuò)展到整個(gè)星座。對此，分析師認(rèn)為雖然這些公司很積極地支持激光通信技術(shù)，但他們不太可能成為上述激光通信終端設(shè)備的用戶，特別是考慮到他們的供應(yīng)鏈通常較為封閉。當(dāng)然，也正因?yàn)槿绱?，SpaceX等公司也不太可能成為Mynaric等公司的主要競爭對手。

  蓬勃發(fā)展的市場

  隨著來自SpaceX、Telesat、亞馬遜和其他公司的低軌道(LEO)不斷建設(shè)衛(wèi)星星座，Mynaric等光通信供應(yīng)商看到了一個(gè)蓬勃發(fā)展的市場。據(jù)Mynaric稱，當(dāng)今光通信在電信和軍用市場的潛在總額為只有8億美元，而到2030年可能增長到超過100億美元，最終可能將超過200億美元。

  LCRD低地球軌道用戶調(diào)制解調(diào)器和放大器終端。

  有分析師表示，該領(lǐng)域的市場增長受到幾個(gè)宏觀趨勢的支持：

  美國軍方的太空防御預(yù)算的復(fù)合年增長率達(dá)22%，軍方正在擴(kuò)建由1250顆小衛(wèi)星組成的星座。

  五角大樓對其自己的衛(wèi)星進(jìn)行重組，其指揮、控制、計(jì)算機(jī)、通信、情報(bào)、監(jiān)視和偵察等方面的預(yù)算增長了8%。

  新的案例推動商業(yè)在軌衛(wèi)星在未來10年內(nèi)從現(xiàn)在的4800顆增加到35000多顆，其中每年發(fā)射2000多顆衛(wèi)星。

  Mynaric公司的衛(wèi)星光通信系統(tǒng)的應(yīng)用潛力巨大。

  據(jù)分析師估計(jì)，在接下來的四年里，Mynaric公司的收入可以增長到2.61億歐元(2.86億美元)，復(fù)合年增長率為100%。

  Mynaric的客戶包括諾斯羅普-格魯門公司，以及Telesat、Space Link、Cappella Space、美國軍方和其他公司等。

  Mynaric的Condor終端的平均售價(jià)為25萬美元，其每個(gè)設(shè)備的毛利率目標(biāo)是30%~35%，每顆衛(wèi)星需要四個(gè)Condor終端來構(gòu)建有效的通信網(wǎng)絡(luò)。Hawk終端的價(jià)格將與Condor相同，此外該產(chǎn)品為商用飛機(jī)MRO市場帶來新機(jī)遇。

  諾斯羅普-格魯門公司最近幾周贏得了美國太空開發(fā)署(SDA)的7億美元合同，成為OISL星座的三個(gè)供應(yīng)商之一。Mynaric也在該項(xiàng)目當(dāng)中，提供了Condor MK2終端設(shè)備，最大數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)20Gbps。

  相關(guān)人士表示，這一市場的快速增長主要由政府項(xiàng)目推動，因此該領(lǐng)域非常關(guān)注政府方面動向。Mynaric公司在2021年第三季度開設(shè)新的工廠，其目標(biāo)是自2022年起每年生產(chǎn)400~500個(gè)終端設(shè)備，未來產(chǎn)能將達(dá)到年產(chǎn)2000個(gè)。(文章編譯自《航空周刊》網(wǎng)站)