衛(wèi)星激光通信時代即將到來

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

  隨著未來數以萬計的衛(wèi)星將被送入軌道，空間激光通信被視為一項關鍵的使能技術。隨著客戶對實時通信的需求，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在內的眾多利益相關者認為，衛(wèi)星在太空中進行激光通信的時代已經到來。

  NASA將演示往返GEO的激光通信

  NASA正準備開始試驗其第一個雙向激光通信中繼演示(LCRD)。LCRD設備于2021年12月隨STPSat-6衛(wèi)星發(fā)射升空，計劃測試一個雙向、端到端的光通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)的數據傳輸速率比傳統(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)項目展示了從太空到地面站的高速激光通信下行鏈路，實現了2.5Gbps的數據速率。OCSD激光系統(tǒng)被“硬安裝”在衛(wèi)星主體上，通過控制整個衛(wèi)星的姿態(tài)來改變光束指向。

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

  LCRD計劃的總體目標不僅是使NASA受益，也是為了加速光通信行業(yè)的發(fā)展。據市場研究機構NSR預計，到2031年，衛(wèi)星光通信設備的銷售將達到20億美元。

  LCRD在地球同步軌道上運行，包括兩個光學通信終端，每個都是雙向光通信設備，數據可以在一個終端設備上接收，然后通過另一個設備轉發(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，此時必須調整，激光信號轉由其他地方的接收器來接收。而這需要大量的實地操作經驗，然后才能將光通信投入實用。

  NASA 的激光通信中繼演示位于地球同步軌道(GEO)，預計將于 4 月開始實驗，以展示光學技術并驗證光學中繼的使用。

  LCRD的演示將持續(xù)至少兩年，以積累不同大氣條件下的運行經驗。在試驗期間，兩個地面站將充當模擬用戶，其中一個地面站將激光信號發(fā)送至LCRD，然后LCRD再將信號轉發(fā)至另一個地面站。試驗將通過觀察兩個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之一。

  在實驗階段之后，LCRD的首個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數據，預計傳輸速率可達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。當然，深空探測會帶來獨特的技術挑戰(zhàn)。例如隨著深空探測器的遠去，激光信號可能會快速損耗。深空激光通信的另一個挑戰(zhàn)是光束的指向性問題，因為激光束十分狹窄，因此信號指向必須跨越數百萬千米的距離，精確對準目標接收站的位置。

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

  總之，據NASA預計，到2030年，光通信技術將成為空間通信網絡的主流。該激光通信網絡可以在各相關方之間無縫運行，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)星通信報告。報告預計，到2031年，光衛(wèi)星通信設備市場將達到20億美元，主要服務于各種衛(wèi)星星座的建設;而且該行業(yè)將以47%的復合年增長率來加速增長，預計未來10年對激光通信終端設備的需求可能達到6000多臺。

  有幾家公司正在參與這項競爭。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的光學星間鏈路(OISL)的星載終端，以及可用于飛機進行空對空或空對地數據鏈路的名為Hawk的機載終端。OISL可以通過紅外激光連接衛(wèi)星、高空飛機、無人機和地面系統(tǒng)等，其中Condor MK3型終端在太空中可以提供高達100Gbps的數據率，傳輸距離可達5000千米。

  激光通信設備未來也會用在飛機上面，以提升空-天或空-地的通信速率。

  一些企業(yè)高管和分析師認為，未來通信的技術方案將發(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挑戰(zhàn)是目前缺乏統(tǒng)一標準，當然總體來說，市場上最大的贏家可能是產業(yè)鏈下游的服務提供商。

  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已經部署了部分具備激光通信能力的衛(wèi)星，未來將這種技術部署擴展到整個星座。對此，分析師認為雖然這些公司很積極地支持激光通信技術，但他們不太可能成為上述激光通信終端設備的用戶，特別是考慮到他們的供應鏈通常較為封閉。當然，也正因為如此，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)不斷建設衛(wèi)星星座，Mynaric等光通信供應商看到了一個蓬勃發(fā)展的市場。據Mynaric稱，當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低地球軌道用戶調制解調器和放大器終端。

  有分析師表示，該領域的市場增長受到幾個宏觀趨勢的支持：

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

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

  新的案例推動商業(yè)在軌衛(wèi)星在未來10年內從現在的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)的應用潛力巨大。

  據分析師估計，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終端的平均售價為25萬美元，其每個設備的毛利率目標是30%~35%，每顆衛(wèi)星需要四個Condor終端來構建有效的通信網絡。Hawk終端的價格將與Condor相同，此外該產品為商用飛機MRO市場帶來新機遇。

  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星座的三個供應商之一。Mynaric也在該項目當中，提供了Condor MK2終端設備，最大數據傳輸速率高達20Gbps。

  相關人士表示，這一市場的快速增長主要由政府項目推動，因此該領域非常關注政府方面動向。Mynaric公司在2021年第三季度開設新的工廠，其目標是自2022年起每年生產400~500個終端設備，未來產能將達到年產2000個。(文章編譯自《航空周刊》網站)