【推薦語】隨著激光通信技術(shù)的迅速發(fā)展，在太空通信的應(yīng)用越來越廣泛，不同供應(yīng)商、不同星間鏈路之間的互操作性要求愈發(fā)迫切，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和解決方案正在有序推進(jìn)中。

【2023.11.28，RIA URBAN】激光通信終端提供更高的數(shù)據(jù)速率，這意味著與基于射頻的系統(tǒng)相比，它們能夠在單次傳輸中發(fā)送和接收更多信息。未來的技術(shù)將以可擴(kuò)展性和建立可互操作、多域、多軌道激光通信的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)為目標(biāo)。

自 1995 年日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)進(jìn)行技術(shù)演示以來，激光通信已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，該機(jī)構(gòu)設(shè)法實(shí)現(xiàn)了每秒 1Mb的下載速度。航天公司和機(jī)構(gòu)正在開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)更安全的數(shù)據(jù)傳輸和與地面站、飛機(jī)、船舶甚至軌道衛(wèi)星之間的通信，下載速度高達(dá)每秒200?Gb。

與射頻 （RF） 相比，光通信終端 （OCT） 具有顯著優(yōu)勢。太空咨詢公司Alliance Velocity的董事總經(jīng)理Stan Shull指出，OCT不需要RF許可，這意味著進(jìn)入市場的時(shí)間可以更短。Shull 表示，OCT 尺寸更小，重量更輕，并且不需要大型太陽能電池板，因?yàn)樗鼈儽壬漕l數(shù)據(jù)傳輸需要更少的功率，因此它們更容易、更便宜地發(fā)射。

“就像我們從撥號(hào)互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)向光纖一樣，OCT是不可避免的。這不是它是否發(fā)生的問題，而只是何時(shí)以及多快的問題，“舒爾說。

然而，這些優(yōu)勢被硬件的缺點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)操作的復(fù)雜性所抵消。盡管目前對(duì)OCT的需求很大，但它們不太可能完全取代射頻技術(shù)：“射頻永遠(yuǎn)不會(huì)消亡，因?yàn)樗哂写┻^云層的優(yōu)勢，”Tesat Spacecom的銷售主管Sven Rettig說，Tesat Spacecom是空中客車公司的獨(dú)立子公司，正在開發(fā)激光終端。

“射頻不會(huì)消失。激光不是偷一塊餡餅;我們正在把餡餅做大。射頻有其自身的優(yōu)勢，而光學(xué)則不具備，反之亦然，“另一家開發(fā) OCT 的公司 Skyloom Global 的首席運(yùn)營官 Campbell Marshall 重申道。

1 市場現(xiàn)狀

在商業(yè)方面，更多的公司，甚至是那些以前不接受OCT想法的公司，現(xiàn)在正在考慮將激光通信用于下一代衛(wèi)星。Odysseus Space首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人Jordan Vannitsen表示，從射頻的轉(zhuǎn)變部分是由于大多數(shù)運(yùn)營商部署了具有更高有效載荷能力的星座，這意味著更多的數(shù)據(jù)。“我們可以看到，最大的市場將是星際鏈路，僅由幾個(gè)星座或巨型星座驅(qū)動(dòng)，”Vannitsen說。

Shull預(yù)測，在不久的將來，很大一部分低地球軌道（LEO）衛(wèi)星將需要激光光通信，與射頻共存。“我認(rèn)為光學(xué)可能是高帶寬通信的關(guān)鍵推動(dòng)因素，”他說。

Shull解釋說，太空發(fā)展局（SDA）一直在推動(dòng)OCT的標(biāo)準(zhǔn)化，并且一直是開發(fā)該技術(shù)的多家商業(yè)公司的主要客戶，因?yàn)樗⒘擞糜趯?dǎo)彈預(yù)警和跟蹤的擴(kuò)散作戰(zhàn)空間架構(gòu)（PWSA）星座。

歐洲航天局（European Space Agency）和美國國家航空航天局（NASA）也在執(zhí)行激光終端任務(wù)，OneWeb等商業(yè)星座正在考慮在未來版本的星座上采用OCT。OCT有望在高帶寬應(yīng)用中發(fā)揮關(guān)鍵作用，例如下一代地球觀測（EO）和偵察任務(wù)。

Shull 還預(yù)計(jì)，未來幾年可能會(huì)有數(shù)以萬計(jì)的 OCT 與在軌衛(wèi)星集成：“現(xiàn)在，你擁有的衛(wèi)星比 OCT 多得多。但在某些時(shí)候，如果許多衛(wèi)星有三到四顆，你可以想象這樣一種情況，即軌道上的OCT比衛(wèi)星多。

激光終端開發(fā)商 Mynaric 參與了 SDA 及其為 OCT 創(chuàng)建互操作性標(biāo)準(zhǔn)的工作。首席執(zhí)行官穆斯塔法·韋齊羅格魯（Mustafa Veziroglu）表示，該領(lǐng)域的一個(gè)未來趨勢將是開發(fā)使OCT在不同衛(wèi)星供應(yīng)商之間可互操作的方法，并使用不同的衛(wèi)星間鏈路標(biāo)準(zhǔn)，而不是航天器僅與特定公司的專有終端進(jìn)行通信。美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）的Space-BACN（天基自適應(yīng)通信節(jié)點(diǎn)）計(jì)劃旨在通過能夠與不同的光學(xué)衛(wèi)星間鏈路標(biāo)準(zhǔn)配合使用的可重構(gòu)光學(xué)數(shù)據(jù)鏈來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

Skyloom首席運(yùn)營官M(fèi)arshall解釋說，盡管目前SDA正在制定標(biāo)準(zhǔn)，但商業(yè)公司可能也會(huì)有替代標(biāo)準(zhǔn)來支持不同的用例。SDA設(shè)定的當(dāng)前數(shù)據(jù)速率標(biāo)準(zhǔn)為每秒2.5Gb，但OCT的功能要多得多，未來的市場需求可能會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)橐恍?yīng)用需要更高的帶寬。

“我們看到了一種商業(yè)愿景，既可以做商業(yè)想要的事情，又可以靈活地與SDA部分進(jìn)行鏈接和合作，因此我們構(gòu)建了允許我們同時(shí)做這兩方面的技術(shù)。我們的一個(gè)終端具有雙模式，可以做客戶希望它做的事情，或者它可以鏈接到SDA標(biāo)準(zhǔn)并與SDA星座通信。”

與此同時(shí)，Marshall預(yù)見到OCT的擴(kuò)散：“在未來幾年，我們將看到誰真正能夠大規(guī)模擴(kuò)展和生產(chǎn)OCT。

諾森比亞大學(xué)副教授 Eamon Scullion 博士認(rèn)為，更快的數(shù)據(jù)速率、更小的終端和更長的通信渠道是關(guān)鍵趨勢。“但他們中很少有人在做的是讓他們變得更聰明。這就是我們正在努力做的事情。我們正在努力生產(chǎn)更靈活、適應(yīng)性更強(qiáng)的東西。”

Scullion重申，隨著技術(shù)達(dá)到極限，OCT系統(tǒng)必須變得更加智能，以便能夠支持?jǐn)?shù)千顆衛(wèi)星相互中繼信號(hào)的巨型星座。

“通過光通信，您可以獲得更高的數(shù)據(jù)速率，使用巨型星座，您可以獲得具有更高數(shù)據(jù)速率的龐大網(wǎng)絡(luò)，并且您的網(wǎng)絡(luò)將獲得更高的安全性和更大的彈性。所以我認(rèn)為，正如我們所知，互聯(lián)網(wǎng)最終將轉(zhuǎn)移到太空，”Scullion說。

2?軍事和商業(yè)的需求

Shull 認(rèn)為 SpaceX 和 SDA 是光通信發(fā)展的兩大領(lǐng)導(dǎo)者。

SDA目前正在向其OCT集成衛(wèi)星星座投入數(shù)十億美元，以建立一個(gè)空間激光通信的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。“你必須相信，他們認(rèn)為空間光通信是關(guān)鍵，并且會(huì)成功。他們正在專門創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)，以便他們幾乎可以即插即用 OCT，” Shull 說。“另一股關(guān)鍵力量顯然是SpaceX。今天在軌的所有衛(wèi)星中有一半以上是SpaceX衛(wèi)星。他們正在用OCT填充這些，并用激光器大規(guī)模測試可操作的星間鏈路。

Veziroglu認(rèn)為，SDA標(biāo)準(zhǔn)化有助于使該技術(shù)更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。Veziroglu說，商業(yè)公司負(fù)擔(dān)不起獲得射頻的許可，將其放在星座上，他認(rèn)為與激光通信可以提供的數(shù)據(jù)速率相比，射頻的成本效益不高。

由于OCT技術(shù)具有低檢測概率、低攔截概率和無頻譜擁塞等特點(diǎn)，是國防部門的理想選擇，因此美國政府正在研究光通信。為了解決這個(gè)問題，Tesat今年早些時(shí)候成立了Tesat政府部門，以使得OCT服務(wù)于美國安全受限市場。

Tesat Government 總經(jīng)理 Justin Luczyk 稱贊 SDA 為許多不同的潛在提供商提供了標(biāo)準(zhǔn)，但他已經(jīng)看到了更多的需求：10 Gb/s甚至 100 Gb/s，而不是標(biāo)準(zhǔn)的2.5 Gb/s。“對(duì)我來說，這很有趣，因?yàn)樵谶@樣的數(shù)據(jù)速率下，射頻無法接近。激光的速度要快得多，它非常符合我們在光學(xué)方面所做的工作，“Luczyk說。

“我非常有信心，隨著時(shí)間的推移，光通信肯定會(huì)成為LEO（低地球軌道）網(wǎng)絡(luò)的骨干，然后推動(dòng)其他軌道的能力。我在未來看到的是這些不同軌道之間的連通性，因?yàn)槊總€(gè)軌道都提供不同的價(jià)值，“Luczyk補(bǔ)充道。

Vannitsen表示，盡管SDA做出了努力，但光通信還沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)化。不同的公司和組織正在推動(dòng)不同的事情。“軍事和新太空公司實(shí)際上并沒有相同的需求。軍方將推動(dòng)遵循某種特定的標(biāo)準(zhǔn)——如果你實(shí)施這些標(biāo)準(zhǔn)，那將是相當(dāng)昂貴的。因此，它可能不一定是適合所有人的解決方案，“Vannitsen說。

3?市場動(dòng)態(tài)、資金

用于太空的激光通信技術(shù)發(fā)展起來并不容易。Tesat Spacecom的Rettig解釋說，僅僅構(gòu)建太空硬件是不夠的，光學(xué)終端的困難部分是構(gòu)建軟件。“指向、采集和跟蹤算法，用于查找另一個(gè)終端并保持連接，”Rettig 解釋道。他補(bǔ)充說，尋找勞動(dòng)力在該行業(yè)也具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)槠嚻髽I(yè)也在尋找電氣工程師。

此外，Skyloom 的 Marshall 提到融資環(huán)境是殘酷的。“這是非常艱難的18個(gè)月。我們已經(jīng)看到公司失敗了，這是可以理解的，因?yàn)榱私馐袌鰟?dòng)態(tài)、客戶之間的差距、漫長的采購鏈、獨(dú)特的供應(yīng)鏈。這很難，這很難。另一方面，市場，需求方非常貪婪。”

Scullion 說，最大的挑戰(zhàn)之一是市場上沒有完美的激光器，而這正是像 Laser Components UK 這樣的激光二極管公司正在努力改變的。在過去的一年里，越來越多的研究在提高探測器的能力方面進(jìn)行了研究，以使激光探測器對(duì)非常微弱的光功率水平更加敏感。這很重要，因?yàn)椤凹す庠谔罩兴苓_(dá)到的距離取決于探測器的較低功率閾值，”Scullion博士解釋說。目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)理想的激光二極管，即可在 1 GHz 下工作的 1 瓦激光器。

“你真的可以看到，這些公司正在響應(yīng)發(fā)展方向，即這項(xiàng)技術(shù)正在向太空發(fā)展，這些設(shè)備需要能夠在一定水平上執(zhí)行，并且需要符合太空要求，這樣他們才能照顧這個(gè)不斷增長的小型衛(wèi)星市場，每5到10年就會(huì)發(fā)射數(shù)以萬計(jì)的衛(wèi)星。“Scullion補(bǔ)充道。

審核編輯：黃飛

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