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2000年至今卫星数量增长趋势分析（Kaman Precision Products）
太空激光（Space Lasers）技术正在重塑世界。这不是科幻小说中的遥远未来，而是当今数据传输与通信的全新方式——从深空探测到地球上的无数应用（如消费者互联网服务、军事行动、银行交易）都可以见到它的身影。
激光能以光速远距离传输海量数据，其传输速度是以往空间传输方式的100倍。激光束极为狭窄的特性使通信效率得以大幅提升，因为高度聚焦的光束能够精确对准接收器，不仅显著减少了光束扩散和信号损失，同时还能有效降低能耗。
但事实上，激光束的狭窄特性也带来了巨大的技术挑战。在太空激光通信领域，由于终端设备的移动速度和方向时刻发生变化，因此将相距遥远的发射器与接收器精确对准是一件极为困难的事——其难度堪比从100英里外精准投中三分球。
通信服务如何推动卫星发展：空间科学卫星从2017年56颗增至98颗，增长75%；导航/GPS卫星从2017年92颗增至141颗，增长53%；地球观测卫星从2017年429颗增至1,142颗，增长166%；通信卫星从2017年580颗增至4812颗，五年内增长730%。
（Kaman Precision Products）为应对这些挑战，工程师研发出了由高度灵敏的传感器控制的快速反射镜（FSM，Fast Steering Mirrors）。该系统能够在星间链路、星地链路以及深空通信中确保激光束精确瞄准目标，从而推动了全球数据流的迅速增长。
由FSM追踪技术辅助的激光通信正引领我们步入所谓的“银河网络”新纪元。这一充满想象力的概念由美国国防部高级研究计划局（ARPA）信息处理处（IPTO）的首任主管约瑟夫·利克莱德（J. C. R. Licklider）于20世纪60年代初提出，旨在构建一个对所有人开放的数字“网络”，使其成为政府、机构、企业及个人间信息互动的核心基础平台。阿帕网（ARPANET）是首个采用分布式控制的广域包交换网络，对现代计算机网络及互联网的发展起到了决定性作用。
得益于无处不在的电话网络，互联网发展初期的大部分数据都是通过铜线传输的。然而，铜线传输会因导体电阻和介质损耗等原因产生信号衰减。随着互联网从文本邮件发展为图片、视频和游戏等丰富内容，标准56.6波特拨号调制解调器遭到淘汰。面对数据流量的激增，互联网服务提供商（ISPs）和主干网络亟需新的传输解决方案。幸运的是，在计算机科学家构建互联网的同时，光子学领域也在探索利用光传输数据的技术，其传输速度和距离都远远超过铜线的电子传输。
1960年，首个持续运行的氦氖激光器问世。十年之后，康宁玻璃的科学家发明了可批量生产的超透明玻璃，使制造低损耗光纤成为可能。1977年，光纤技术开始在公共电话网络中传输数据。1986年，斯普林特公司建立了全美首个100%数字化光纤网络。光纤的传输速度可达60Tb/s，比铜线快700多倍。而且光纤传输的数据质量也更优，这得益于光信号不受电磁干扰和射频干扰（EMI/RFI）、串扰以及阻抗问题的影响，而这些问题在铜线传输中常会引起其信号失真和损失。1986年是划时代的一年。掺铒光纤放大器（EDFA）的发明大幅延长了光信号在无需电子中继器情况下的传输距离，从而使光纤在洲际海底电缆中的应用更加经济实用。在此之前，海底铜缆的传输速度仅为每秒140 Mb，而且每隔一小段距离就需要安装电力驱动的电子中继器。1988年，首条跨大西洋的光纤电缆正式启用——这比蒂姆·伯纳斯-李（Tim Berners-Lee）提出万维网的概念还要早一年，此举极大推动了互联网流量的爆炸性增长。如今，海底光缆承载了全球95%的数据流量。每一根光纤的带宽超过1太赫兹，已经比铜线的带宽高出1000倍了。
在长距离传输中，光纤较铜线的数据传输速率更高。然而，光纤的长度限制了其应用范围。如果光数据传输能够在保留优势的前提下突破这一物理局限，在太空中穿越数千英里的距离，这又将带来怎样的技术变革？激光通信亦称自由空间光通信（FSO，Free Space Optical）。它采用了本为光纤研发的众多技术，可在空气、真空或外太空中无线传输数据。当应用于星间和深空链路时，光在空间中的传播确保了FSO在极远距离上传输的可靠性。然而地球上的雾、雨、灰尘、高温等大气条件（甚至包括飞鸟）都对FSO技术构成了严峻挑战。这些条件容易导致信号中断和不可接受的高错误率，从而限制了地面终端间长距离点对点光链路的可行性。
21世纪初，Terabeam、AirFiber和CableFree等公司斥巨资开发FSO技术，希望将其用作光纤的替代方案。然而，这些公司未能克服大气条件带来的挑战，因此无法推出商业上可行的服务。现在，地面激光互联网服务正在复苏，已在澳大利亚、肯尼亚和斐济等13个国家进行部署。2023年6月，谷歌的母公司Alphabet宣布了在印度和非洲那些难以铺设光纤的地区建设大规模激光互联网的宏伟计划，目标是实现高达20 Gbps的双向传输速度和20公里的覆盖范围。在地球大气层之外的“自由空间”中，距离限制不复存在。激光在浩瀚的太空中表现十分出色，其长距离信号传输效率远超射频（RF）技术。在FSO技术问世前，太空通信完全依赖于无线和微波频段，这些频段在电磁波谱中波长最长、频率最低。美国国家航空航天局（NASA）曾用S波段（2-4 GHz）从月球传回电视信号，并通过X波段（8-12 GHz）和Ka波段（27-40 GHz）实现了更高的传输速率。目前，NASA的深空网络通过Ka波段可达到最高50 Mb/s的传输速度。RF的低传输速率并非其唯一缺点：射频信号在传播过程中还会发散，从而产生另外两个问题。首先，射频频谱拥挤会引发电波过度拥堵，从而引起信号干扰、截获或屏蔽等问题。同时，可用频谱的稀缺也会严重限制服务数量的增加。其次，波束发散会使射频信号大幅衰减。传输距离越远，接收到的信号就越弱。为弥补这一损失，需要增大发射器和接收器的尺寸，功耗也会随之增加，从而加重卫星和航天器的成本负担。例如，RF地面站的天线直径可达230英尺（约70米）。
激光通信为RF所面临的种种挑战与限制提供了有效的解决方案。带宽——与传统RF信号相比，激光通信的主要优势在于带宽得到了显著提高。太空激光使用的是电磁波谱中不可见的红外辐射（IR）部分，频率范围为约300 GHz至约400 THz。频率越高，波形中可编码的数据就越多，因此与RF相比，激光通信的带宽可有效增加10到100倍。低延迟——速度更快不仅指增加每秒的数据传输量。激光通信还大幅降低了延迟，可实现近乎即时的数据传输，延迟时间仅为10-20毫秒，相较之下，RF的延迟可达数百毫秒。无频谱拥堵——相较于RF的波长（0.8至15cm），激光通信的波长更短（小于0.1cm）且光束高度集中，这使得FSO技术免受频谱拥挤带来的诸多困扰和限制。激光通信链路间不会相互干扰，因此在太空推广FSO技术的潜力实际上是无限的。尺寸、重量与功率——激光通信的另一大重要优势在于高度集中的光束不会像射频波那样发散，这使得光学信号能在长距离传输中维持强度。光束发散低、衰减少意味着接收器能捕获更多的传输功率，从而减少能量浪费。NASA指出，“光通信的优势在于更小的设备体积、更轻的重量和更低的功耗。更小的设备体积意味着航天器可携带更多的科学仪器。更轻的重量则意味着发射成本更低。更低的功耗则有助于减轻航天器的电池负荷。”这些优势同样适用于地面设备，与现有射频天线相比，激光通信接收器的体积最多可缩小44倍。安全——狭窄的光束让激光信号的截获极为困难。此外，太空激光采用的是光和光子技术，因此量子密钥分发（QKD）的应用能为这些通信提供前所未有的高安全级别。逐渐下降的卫星发射重量（Kaman Precision Products）
在RF空间通信时代，大部分数据流量都高度依赖地球静止轨道（GEO）卫星。这些卫星位于距地球表面35,786公里（22,236英里）的高空，固定在赤道上方，仅需两三颗卫星便能覆盖地球表面的大部分区域，通信稳定且高效。然而，这些GEO卫星体积庞大、成本高昂，且传输距离极长，因此RF通信会出现显著延迟。另一种选择是使用低地球轨道（LEO）卫星，其运行高度介于60至2,000公里（99至1,200英里）之间，可有效减少信号传播延迟。然而，要想实现持续覆盖需要部署数百乃至数千颗LEO卫星，具体数量取决于其轨道高度。LEO卫星相对地球固定点的移动速度约为每小时17,000英里，这极大地增加了维护数据通信链路的复杂度。激光技术显著提升了各种卫星系统的功能性与经济效益，开辟了新的可能，拓展了技术实现的边界。现如今，GEO卫星可提供高速度、低延迟的通信服务，与RF系统相比，激光系统在尺寸、重量与功率方面的根本性提升也让建造和发射大规模LEO卫星群在经济上更加可行。激光通信工作原理概述（Kaman Precision Products）
光通信还促进了不同高度卫星间的网络互联，从而提升效率并优化特定任务。例如，美国国防太空体系架构（NDSA）——现已更名为快速增强作战人员太空架构（PWSA）——正在构建一个由两个独立星座组成的网络拓扑结构：传输层与跟踪层，并通过光链路连接。传输层是一个在LEO上运行的弹性网状网络，可在全球范围内快速、安全地传输信息并连接地面站。网状卫星网络具备较高的韧性，因为即使某颗卫星受损或遭到摧毁，数据也能重新建立路由。跟踪层，主要负责远程传感和观测，并配备红外传感器以及时发现和追踪导弹威胁。另一个通过激光链路连接LEO和GEO卫星的案例是空间数据高速公路（SDH，SpaceDataHighway），这是欧洲空间局和空客公司携手打造的公私合作项目。该商业服务通过欧洲数据中继系统（EDRS），依托EDRS-A和EDRS-C地球静止轨道卫星及欧洲的地面站，利用光学通信技术为LEO卫星和空中平台提供高带宽传输能力。
星链是由SpaceX发起的一项宏伟计划，旨在为全球各地提供高速互联网接入服务，目前已取得显著进展。截至2023年7月，已有4,487颗星链卫星在低地球轨道运行，其中最新版卫星则通过激光实现互连。SpaceX预计，星链网络中的卫星总数最终将增加到12,000到42,000颗。SpaceX创始人Elon Musk去年发推特表示：“由于真空中光速更快且路径比海底光纤更短，轨道上的激光链路可在长距离传输中减少多达50%的延迟。”即便星链项目具有开创性和变革性，但并非没有竞争对手。最大的竞争者之一是总部位于英国的一网（OneWeb），该公司同样致力于建立全球宽带服务的卫星网络。另一个强大对手是亚马逊的柯伊伯计划（Project Kuiper），该计划预计部署3,000多颗卫星以实现类似目标。此外，中国的国有航天机构也在开发一项名为天链（Tianlink）的全球宽带服务。每个竞争对手都在利用独特的策略和资源推动卫星互联网服务领域的发展，使竞争愈发激烈。
高质量的激光光束是以上所有技术成果的核心——这种极其笔直且狭窄的光束不仅能聚焦远距离目标、实现高速和低延迟的数据传输，而且光束发散极小，信号损失也是微乎其微。然而，正是因为激光光束的狭窄特性，使得在数千公里的距离上获取和保持视线链路变得异常困难。要实现发射器和接收器的精确对准，不仅对精度要求极高，系统还必须能迅速且平稳地作出调整，以适应主卫星和航天器相对于彼此及地面站在不同方向上的高速移动。此外，高精度组件还必须能够承受太空发射的严苛条件和太空环境。在快速反射镜（FSM）背面，沿两个坐标轴对称安装两个精确匹配的传感器。FSM的驱动器驱动镜子绕中心弹性体转动时，镜子将从一个轴的传感器离开并等距向另一个轴的传感器靠近。（Kaman Precision Products）快速反射镜需要精确的位置数据以快速调整镜面位置，此操作往往通过电磁音圈实现。非常灵敏的传感器能在亚微米级别精确测量镜面位置，且分辨率极高。该系统在设计时已考虑太空环境中极端温度波动的影响，从而确保传感器性能稳定。如上图所示，采用涡流技术的电子匹配传感器对称放置在镜子的枢轴点两侧，并与该点等距。传感器与目标关系如下：当目标远离一侧传感器时，会等量向另一侧传感器移动。这两对传感器分布在互相垂直的两根轴线上，用以提供精确的x-y轴倾斜/偏移位置数据。在差分模式下，传感器可消除或减少共模效应，如活塞作用和信号噪声。
Kaman Precision Products的测量业务部门早在30多年前就开发了差分定位测量系统产品系列，并不断完善这些知名产品的性能，以满足日益增长的航天和国防需求。该产品线现有三款产品：KD-5100系列，可承受100krad以上的总电离剂量（TID），30年来已为包括火星2020探测车在内的大量航天应用提供服务；DIT5200L，一款低噪音、性价比高的适用于LEO的商用系统；以及全新推出的数字系统KD-5690。本文由Kaman Precision Products业务发展高级经理Rick Williams撰写并投稿。了解更多详情，请访问www.kaman.com。
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