伴隨著5G的正式商用，國內外研究機構和標準組織對6G的研究布局也已陸續開啟。6G網絡的覆蓋范圍更加廣泛，將從地球進一步延伸到太空，實現地面、衛星和機載網絡等的無縫連接。6G網絡傳輸速率將達到5G網絡的10倍以上，峰值速率可達100 Gbit/s~1 Tbit/s；時延則比5G網絡縮短10倍，低至0.1 ms[1]。如何突破當前5G光纖網絡覆蓋范圍的限制，實現空間、海洋等更加復雜的業務傳輸場景，是未來6G技術需要突破的難題。

不同于傳統的微波衛星通信，衛星光通信的原理是直接通過激光在大氣或太空傳輸，從而實現信息的傳遞。與微波相比，激光具備多個方面的優勢：激光通信可利用的頻帶寬度超過GHz，高達微波頻帶寬度總和的一萬多倍；激光通信使用頻段不受限制；通信設備的尺寸與波長成正比，因此激光衛星通信設備的尺寸和重量遠低于微波衛星通信設備，靈活性與可擴展性強；激光光束發散角小、方向性好，通信鏈路不易被截斷，具有較強的保密性。但在具備眾多優越條件的同時，激光通信鏈路的穩定性較低是衛星光通信的缺點之一。造成衛星光通信這一缺點的原因是由于信號在傳輸過程中無法改變鏈路方向，因此極易受障礙物的阻擋，而在通過大氣傳輸的情況下將受到大氣條件的影響；且通信鏈路兩端平臺易受空間環境的影響產生震動和位移，從而降低了鏈路的穩定性。總體而言，衛星光通信大帶寬、組網靈活、保密性好等優勢使其具備成為未來6G組網關鍵技術之一的潛力。

1 衛星光通信發展現狀

1.1  試驗驗證項目開展現狀

衛星光通信的研究最早可以追溯到1967年，隨著激光器等硬件設備的發展，衛星光通信的理論研究逐漸深入。在經歷了早期理論研究階段之后，20世紀70年代，各研究機構開始開展包括器件、終端、系統設計在內的系統性研究；20世紀80年代開展的衛星光通信研究主要針對星地鏈路；到20世紀90年代后才逐漸拓展到太空中衛星間的光通信鏈路。在早期發展階段中，衛星光通信的工程試驗大多為點到點，直到近年來商用項目的部署中才出現了星間的大規模應用。圖1以時間線的形式展示了國內外衛星光通信驗證項目的開展狀況。

由于技術難點多、設備研發價格高、試驗條件復雜等因素，衛星光通信項目的研發對國家的科研能力、經濟實力要求較高。美國、歐洲等國家/地區早在20世紀就憑借強大的綜合實力和資金支持，開始對衛星光通信進行研究、開展試驗驗證項目，經過長期積累，在早期就已實現了技術復雜度更高的星間鏈路試驗。

日本是衛星光通信領域的后起之秀，雖然起步較晚，但技術發展和項目開展迅速，并且與歐洲合作密切，已經開展了多次星地和星間驗證項目。我國涉足衛星光通信領域的時間較短，前期開展的試驗項目以復雜度相對較低的星地鏈路為主，后期星間鏈路試驗的規模不斷擴大。

1.2  產業發展現狀

自衛星光通信技術的相關研究逐步開展以來,衛星光通信長期處在技術突破和試驗驗證階段。而在2015年美國SpaceX宣布開始布局“星鏈”（Starlink）項目，2019年正式將首批60顆衛星發送入軌道，在星間采用衛星光通信技術。大規模的衛星光通信技術得到采用，才使衛星光通信正式向產業化方向發展。自此，星座網絡開始吸引大眾的視線，并且呈加速發展的態勢，成為大國之間博弈的熱點。圖2為國內外參與衛星光通信領域研發的科研機構、高校及企業的活躍度分布情況。

目前，美國、歐洲、日本以及中國的相關機構及企業都具有較高的活躍度。尤其是美國，因為技術成熟度高且航天產業資本參與度高，在衛星光通信領域內的優勢顯著。以美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）為代表的眾多科研機構、高校以及企業都在積極參與系統性研發和試驗工作。其中，活躍度高的包括NASA、NASA下屬的加州理工大學噴氣動力實驗室、麻省理工學院林肯實驗室、SpaceX。美國的研究機構和企業之間的合作非常緊密，技術大多實現互通，因此在很大程度上促進了美國衛星光通信整個產業的活躍度。歐洲與日本的科研機構之間的合作緊密，企業和科研機構的研究方向也有所側重，企業偏向于終端研究，科研機構大部分都在研究搭建整個衛星光通信系統，科研機構活躍度明顯大于企業。此外，俄羅斯研制的星間激光數據傳輸系統已經在空間站和航天器等平臺上得到了應用；以色列、法國、加拿大、韓國等也在積極探索這一領域，有望在不久的將來實現產業上的突破。

2018年起，我國多個天基系統項目陸續公開，虹云工程、鴻雁工程、行云工程由航天科工、航天科技兩大集團主導，正式進行天基網絡的商用布局。除此之外，更多的企業力量在近幾年也加入了研究行列，主要開展終端研制方面的工作。

盡管衛星光通信目前仍處于產業發展的起步階段，多數項目仍然以點到點的單鏈路通信形式開展試驗，大規模的星間商用部署仍在進行當中，但是將其應用為6G組網技術的潛力已經被各大研究機構和企業所挖掘，未來將在技術上進一步實現突破，使其具備更加成熟的產業應用條件。各國的產業生態也將進一步擴展，引導更多企業加入衛星光通信技術與設備的研究行列。

1.3  標準化現狀

國內外許多標準組織都開展了航天通信的標準化工作，不僅有傳統的航天標準組織,還有許多通信標準組織。其中，國際標準組織有航天數據系統咨詢委員會（Consultative Committee for Space Data Systems， CCSDS）、國際標準化組織（International Organization for Standardization，ISO）、國際標準組織國際電信聯盟（International Telecommunication Union，ITU）和3GPP（3rd Generation Partnership Project）；歐盟的標準組織有歐洲電信標準協會（European Telecommunications Standards Institute，ETSI）、歐洲航天標準化合作組織（European Cooperation for Space Standardization，ECSS）、歐洲航天局（European Space Agency，ESA）；美國的標準組織有國際自動機工程師學會（SAE International）、美國航天航空學會（American Institute of Aeronautics and Astronautics，AIAA）、美國國防部標準化局；中國的標準組織有全國宇航技術及其應用標準化技術委員會和全國通信標準化技術委員會（CCSA）。

航天數據系統咨詢委員會對衛星光通信領域的標準化研究最為深入，2014年1月成立了光通信工作組，NASA擔任主席。該工作組的研究內容包括：適合衛星光通信的波長、調制、編碼、交織、同步和采集等方面的新標準研究；衛星光通信鏈路中天氣數據的定義、交換和存檔標準研究等。截至目前光通信工作組已經輸出了兩份轉化為ISO標準的完整推薦標準（Blue Books），一份信息報告（Green Books）和一份試驗記錄（Orange Books）。

通信領域的代表性標準化組織ITU T17-SG15于2020年8月提交了啟動自由空間光通信系統研究的提案，2021年3月正式上會討論了自由空間光通信的應用，而衛星光通信包含在自由空間光通信的范疇之內。ITU的衛星光通信的標準化研究正在逐步走向正軌。

國內的CCSA在2019年由航天科工牽頭新成立了TC12航天通信工作委員會，目前下設航天通信系統工作組（WG1）、航天通信應用工作組（WG2）和協同組網通信工作組（WG3）。截至目前TC12已經召開了4 次全會，僅有一個已立項的研究課題與衛星光通信相關。國內衛星光通信的標準化研究有待進一步深入。

整體而言，由于衛星光通信在全球范圍內的產業應用中的互通程度仍然較低，各國前期各自開展研發工作，網絡架構中使用的各類技術不完全統一，且研究水平也存在差距。因此，在目前標準化進展處于初期起步階段的情況下，全球標準化研究仍然由資歷深且技術成熟度高的美國NASA在CCSDS中牽頭主導，而其他標準化機構跟隨其后在衛星光通信領域也開始進行相應布局。當前，初期的標準化研究主要圍繞以下幾個方面開展：首先，在物理層解決最關鍵的數據互通問題，需要對光通信信號和信標光信號特性（例如通信激光信號的中心頻率、激光線寬、偏振性、調制方式等）進行規范；其次，在同步和信道編碼層實現信號在發送端和接收端的轉換，涉及調制、同步、編碼和驗證等關鍵流程，其中同步和編碼方式需要進行標準化研究。此外，上層的數據鏈路協議層和網絡層標準化研究也將在前期的標準化逐漸成熟后進一步開展?？梢灶A見，未來的標準研究范圍將進一步涉及衛星光通信組網的路由交換、網絡管理和控制等。在制定基礎標準的同時，需要同步開展先進課題的研究，例如端到端系統的試驗性研究、衛星光通信系統中各技術環節的研究等，為后續標準化開展提供支撐。

2 衛星光通信關鍵技術

衛星光通信技術涉及到多領域的交叉研究,復雜度高、難度大,相關的研究領域包括光學、機械、信號處理、數學和計算機等。圖3展示了衛星光通信鏈路間傳輸的一個典型系統，以及系統中各部分所對應使用的主要技術。其中，光學技術包括高功率光源技術、高質量光學系統設計技術；信號處理技術包括調制解調技術、背景噪聲抑制技術、大氣信道影響補償技術、高靈敏度探測技術；機械技術包括平臺振動與姿態補償技術、器件部件空間適應性技術；高精度捕獲跟蹤瞄準（Acquisition，Tracking and Pointing，ATP）技術等。本文重點介紹衛星光通信研究中需要重點關注的關鍵技術。

2.1  光學關鍵技術

高質量光學系統設計技術的核心包含波長選取和光路設計兩部分。選取波長時首先應保證光信號在傳播過程中透過大氣時損耗小、受太陽輻射影響小，同時在該波長下探測器具有高響應度。由于通信業務的多樣化發展,衛星光通信網絡中往往需要多波長同時進行傳輸以保證業務傳輸質量和帶寬容量。Liu等[2]研究了拓撲變化對所需波長的影響，搭建了基于時空演化圖的模型。依據模型分析得出衛星光通信網絡中對波長的要求取決于網絡連接跳數和所需到達時間，而光路重疊少有助于降低對波長的要求。星地鏈路間的常用波長有1.55、0.85和10 μm，根據天氣條件和大氣湍流條件，Harris等[3]對3種波長的傳輸特性進行了分析?？傊l星光通信網絡中的波長選取需根據傳輸類型、傳輸環境和業務需求進行具體的選取與設計。另一方面，光路設計也是高質量光學系統設計的核心技術之一。光路設計中最重要的環節是光學天線設計，在衛星通信鏈路中，光信號通過光學天線進行發射和接收。傳統的光學天線設計已經非常成熟，但由于存在體積大和質量大的缺陷，在當前光通信衛星正向微小型化發展的趨勢下，已不能滿足需求。文獻[4]設計了一種小型激光通信衛星上適用的集成光學天線，該光學天線被設計在具有兩個不同光柵耦合器的絕緣體上的硅（SOI）芯片上。未來衛星光通信設備上的光學天線也將在保證低偏振角誤差的前提下與載荷的體積、質量同步向輕型化方向發展。

衛星光通信信號通過接收端機接收后首先被傳輸到信號處理模塊進行信號探測。選擇探測器的依據包括信號光功率、入射光的波長范圍、尺寸及其他機械要求等。雪崩光電二極管（APD）和PIN光電二極管是最常用于各類實驗和實際終端中的光電探測器，對于1550 nm的衛星光通信傳輸系統，APD光電二極管的Q因子優于 PIN光電二極管，具有更好的探測性能[5]。

通過增加接收器孔徑的大小同樣能夠減輕大氣湍流對信號的影響，利用孔徑的平滑效應可以消除由小渦流引起的相對快速的波動，并有助于減少信道損耗。文獻[6]驗證了通過使用孔徑平滑效應可以實現星地鏈路的性能改進，實現了在星地下行鏈路中信道編碼和孔徑平滑互相協同的實際應用，并利用不同光學孔徑的雪崩光電二極管接收器進行了信號質量評估。當孔徑的平均天頂角≤80°能夠保證接收器的穩健性。

大氣對光波的影響中最重要的一個方面是閃爍效應，為了克服大氣閃爍，自適應光學技術通過矯正相位實現低誤碼率傳輸。目前，自適應光學技術已經受到廣泛的關注，許多試驗和應用已經在衛星光通信系統中開展。文獻[7]介紹了歐洲航天局的光學地面站接收端自適應光學附件的設計、制造和工廠驗收測試結果：該系統能夠利用300多個“模式”來消除大部分湍流引起的靜態波前誤差。利用自適應光學進行預補償可以將地面-衛星的上行鏈路所需的發射光功率保持在合理范圍內，文獻[8]通過數值模擬的方法對自適應光學對光饋線鏈路進行預補償的預期性能開展了研究。用自適應光學方法進行編碼矯正的可靠性也已經通過數值模擬實驗得到證實。

2.2  信號處理關鍵技術

信號調制解調技術與背景噪聲抑制技術有部分技術交叉，特定的調制解調技術也能夠實現對信號背景噪聲的抑制。信號調制解調技術的選擇依據包括光功率效率和帶寬效率、信息傳輸速率以及抗干擾能力等多個方面。衛星光通信中的調制方案可以支持多種二進制格式和多級調制格式，其中二進制由于具有簡單高效的特點成為最常用的格式。其中，開關鍵控（OOK）和脈沖位置調制（PPM）是二進制中最為常用的兩種調制方式。由于其簡單的特性，OOK調制方案在衛星光通信中成為了主流技術之一，且通常和強度調制/直接檢測（IM/DD）傳輸和接收機制同步部署。文獻[9]采取不同強度調制方案來削弱大氣湍流對信號產生的影響，并分析效果。其中，OOK在湍流大氣條件下自適應閾值可以獲得最佳削弱效果。

太空環境中背景噪聲主要來源于太陽輻射，且輻射強度隨波長的增加而減小。為達到抑制背景噪聲的目的，一般采用的技術包括空間濾波和信號調制技術。濾波器的設計需要考慮的因素包括信號的到達角、多普勒頻移激光線寬以及時間模式的數量[10]。多脈沖位置調制（MPPM）是最為常用的背景噪聲抑制調制技術之一，在目前的技術發展階段中常與其他調制方式混合使用以實現更高效率的傳輸。Khallaf等[11]將正交振幅調制（QAM）和MPPM混合的調制方法應用于無湍流和伽馬-伽馬自由空間光學（FSO）通道中，相比于傳統調制方式，此混合調制方式能夠得到更好的誤碼率性能。Elfiqi等[12]提出了一種混合兩級多脈沖位置調制-多進制差分相移鍵控（2L-MPPM-MDPSK）技術，實現了更高功率和頻譜效率。Numata等[13]提出了一種多脈沖位置調制和脈沖間距調制（PSM）融合的方案，在仿真的噪聲場景下進行誤碼率分析，驗證實現了高速率傳輸。

為減小星地鏈路間大氣條件對傳輸信號的影響，除了可以利用孔徑平滑效應、空間分集、時間分集和頻率分集等技術外，還可以利用根據季節、時間、環境、天氣進行調節的大氣影響被動補償技術。Polnik等[14]對大氣中的云覆蓋量進行預測，搭建了兩種不確定性模型：具有多面體不確定性集的穩健優化模型和具有基于矩的模糊集分布的穩健優化模型。在衛星與位于英國的地面站之間的鏈路中分析計算了不同模型的性能，并以此為依據實現了長達6個月的衛星運行規劃。

2.3  ATP技術

快速精確的捕獲、跟蹤和瞄準技術是實現遠距離空間光通信的基礎，尤其是星地鏈路間的核心技術。ATP系統包括粗跟蹤（捕獲）系統和精跟蹤（跟蹤和瞄準）系統兩部分。ATP系統先通過粗跟蹤系統在大范圍視線內進行掃描，捕獲到傳輸信號后再使用精跟蹤系統在小范圍內進行掃描。采用這種粗跟蹤系統和精跟蹤系統結合的方式可以快速有效地捕獲到信號。圖4展示了ATP系統的基本組成。

由于ATP技術直接決定了光信號是否能夠成功傳輸，一直以來都受到科研人員的高度關注。初始指向作為獲取的第一步起著至關重要的作用，Chen等[15]建立了星間激光通信初始指向的數學模型，仿真得到初始方位角 和俯仰角。Arvizu等[16]搭建了用于Cubesat和光學地面站之間的光量子通信鏈路的ATP系統原型，并在實驗室和中短距離地面鏈路中展示了在受控光湍流條件下的ATP系統性能。

2.4  機械關鍵技術

器件部件空間適應性技術包含多種類型，目的是減小空間環境對部件產生的影響。此類技術包括反射鏡表面性能防護技術、機械部件防冷焊、日凌下熱控、雜散光抑制、放大器抗輻射技術等。其中，放大器抗輻射技術是機械技術中的研究要點之一。光纖放大器屬于光纖類器件，受空間的輻射環境影響非常嚴重，會因此產生色心從而嚴重影響光纖放大器的放大性能。目前，主要采用退色心抗輻射技術、預輻射載氫抗輻射技術和光纖制作工藝的抗輻射技術。

總體而言，衛星光通信中各環節的關鍵技術最終是為了支撐實現兩個主要目標：保證鏈路穩定性和提高信號傳輸質量。隨著小型化低軌衛星數量的顯著增加，衛星光通信終端正在向高數據率、低功耗、小型化、低成本的趨勢發展。因此，衛星光通信的各個關鍵技術的發展不僅要在實現基本目標的基礎上優化技術實現方式，元件設計和選取還需要符合終端發展趨勢的要求：關鍵元件質量小、功耗低，關鍵系統設計向微小型化發展，從而為整體產業的發展提供堅實的技術基礎。

3 衛星光通信發展態勢

衛星光通信從試驗驗證向工程應用演進，各國工程項目布局競爭激烈。目前，國內外已經部署了眾多工程 項 目，例如國外的“Kuiper”星座（3236 顆）、“Telesat”星座（298 顆）、“Starlink”網絡（1.2 萬顆）；國內有“鴻雁”星座（300 顆）、“虹云”星座（156 顆）。衛星光通信工程項目的布局正在如火如荼地開展。

衛星光通信正在向雙向傳輸、點對多點傳輸方向組網化發展。為了建立空天地海一體化網絡，衛星業務數據需要回傳至地球表面，在此過程中，在星間實現數據中繼傳輸是必不可少的環節。具有雙向傳輸的衛星通信網絡終端能夠更加高效地進行信息傳輸，數據收發速率能夠得到保障。由于激光的束散角小，且易產生動態變化，當前衛星光通信鏈路多為點對點傳輸，為了進一步擴展衛星組網，則需要在技術上實現點對多點傳輸。

國外衛星光通信技術研發將加強布局，國內技術路線有待明確。NASA作為航空領域的領軍機構，在2020年發布的《2020 NASA技術分類》[17]中明確列出了未來將重點關注的光通信技術：探測器、超大光學孔徑、激光器、ATP技術、光學測量學、創新信號調制等。此技術分類報告是以2015年NASA發布的技術路線圖為基礎進行的梳理。NASA在未來衛星光通信研究中的技術研究重點與研究思路規劃已經十分細致與清晰，而國內尚未有相關研究機構公開技術研究線路，未來我國的研究方向將結合當前的技術研究現狀進一步明確規劃側重點，緊跟國外領先技術的步伐。

當前衛星光通信領域仍處于技術向產業轉化的初期，參與方以科研機構和高校為主，由于產業規模小且終端產品技術復雜度高，仍然對企業缺乏吸引力，企業參與度較低。在衛星光通信工程項目實現后，進一步推進大規模的組網部署將極大地推動產業鏈發展，吸引更多企業和其他組織機構參與到整個產業鏈中。

4 結束語

衛星光通信正處于技術驗證和商用探索的起步階段，技術覆蓋領域廣、復雜度高。目前，國內外已經有多個天基網絡項目的星間鏈路使用此技術，但距在天基網絡鏈路中大規模覆蓋使用仍有距離，重點、難點技術研究仍有待突破。以美國、歐洲、日本、中國為首，各國/地區科研機構和企業正在不斷加大人力和資金投入，開展試驗驗證和產業項目布局。當前階段，由于技術研究起步較晚，重點、難點技術仍需突破，且缺少整體清晰的技術路線規劃，我國衛星光通信在技術成熟度、研發規模和企業參與度上與先進國家仍有較大差距。此外，我國長期以來在航天領域的研究和產業布局都由傳統航天企業主導，其他中小企業在衛星光通信產業中的參與度較低。為縮小與國外在衛星光通信領域的差距，亟需制定相關政策、提供研發資金引導科研、產業與生態的協同發展。