衛星激光通信時(shí)代即將到來(lái)

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

  隨著(zhù)未來(lái)數以萬(wàn)計的衛星將被送入軌道，空間激光通信被視為一項關(guān)鍵的使能技術(shù)。隨著(zhù)客戶(hù)對實(shí)時(shí)通信的需求，高通量衛星的能力和日益降低的入軌成本為通信衛星創(chuàng )造了新的用途。對此，包括NASA在內的眾多利益相關(guān)者認為，衛星在太空中進(jìn)行激光通信的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。

  NASA將演示往返GEO的激光通信

  NASA正準備開(kāi)始試驗其第一個(gè)雙向激光通信中繼演示(LCRD)。LCRD設備于2021年12月隨STPSat-6衛星發(fā)射升空，計劃測試一個(gè)雙向、端到端的光通信系統，該系統的數據傳輸速率比傳統的射頻通信系統快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(shí)現了2.5Gbps的數據速率。OCSD激光系統被“硬安裝”在衛星主體上，通過(guò)控制整個(gè)衛星的姿態(tài)來(lái)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鋪平道路。由于現代的太空探測的任務(wù)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(shù)，而光通信可以滿(mǎn)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(chǎng)研究機構NSR預計，到2031年，衛星光通信設備的銷(xiāo)售將達到20億美元。

  LCRD在地球同步軌道上運行，包括兩個(gè)光學(xué)通信終端，每個(gè)都是雙向光通信設備，數據可以在一個(gè)終端設備上接收，然后通過(guò)另一個(gè)設備轉發(fā)至目的地。不僅是空間通信，LCRD還將執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)必須調整，激光信號轉由其他地方的接收器來(lái)接收。而這需要大量的實(shí)地操作經(jīng)驗，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)，預計將于 4 月開(kāi)始實(shí)驗，以展示光學(xué)技術(shù)并驗證光學(xué)中繼的使用。

  LCRD的演示將持續至少兩年，以積累不同大氣條件下的運行經(jīng)驗。在試驗期間，兩個(gè)地面站將充當模擬用戶(hù)，其中一個(gè)地面站將激光信號發(fā)送至LCRD，然后LCRD再將信號轉發(fā)至另一個(gè)地面站。試驗將通過(guò)觀(guān)察兩個(gè)地面站位置的大氣和云層覆蓋情況來(lái)測量系統性能。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(shí)驗階段之后，LCRD的首個(gè)操作用戶(hù)是國際空間站。地面站安裝在日本，它將接收來(lái)自空間站的科學(xué)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(lái)模擬深空探測的光通信，未來(lái)將用于小行星帶探測器與地球的通信。當然，深空探測會(huì )帶來(lái)獨特的技術(shù)挑戰。例如隨著(zhù)深空探測器的遠去，激光信號可能會(huì )快速損耗。深空激光通信的另一個(gè)挑戰是光束的指向性問(wèn)題，因為激光束十分狹窄，因此信號指向必須跨越數百萬(wàn)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(shù)。相關(guān)技術(shù)將在NASA的Psyche小行星探測器上飛行，實(shí)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(kāi)始。

  總之，據NASA預計，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(wú)縫運行，最終大大提高衛星通信的效率，并降低通信的成本。

  衛星激光通信的技術(shù)突破

  致力于太空市場(chǎng)研究的NSR公司的分析師表示，隨著(zhù)越來(lái)越多衛星星座發(fā)射升空，將推動(dòng)光衛星通信行業(yè)的顯著(zhù)增長(cháng)。

  NSR公司于2022年2月發(fā)布了第四份光衛星通信報告。報告預計，到2031年，光衛星通信設備市場(chǎng)將達到20億美元，主要服務(wù)于各種衛星星座的建設;而且該行業(yè)將以47%的復合年增長(cháng)率來(lái)加速增長(cháng)，預計未來(lái)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(lái)。Mynaric公司提供了名為Condor的光學(xué)星間鏈路(OISL)的星載終端，以及可用于飛機進(jìn)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(guò)紅外激光連接衛星、高空飛機、無(wú)人機和地面系統等，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(lái)也會(huì )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(lái)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13.16Tbps的傳輸速率，而無(wú)線(xiàn)電射頻的最大傳輸速率為36Gbps。

  天基激光通信面臨的一個(gè)挑戰是目前缺乏統一標準，當然總體來(lái)說(shuō)，市場(chǎng)上最大的贏(yíng)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(kāi)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星，未來(lái)將這種技術(shù)部署擴展到整個(gè)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(shù)，但他們不太可能成為上述激光通信終端設備的用戶(hù)，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(chǎng)

  隨著(zhù)來(lái)自SpaceX、Telesat、亞馬遜和其他公司的低軌道(LEO)不斷建設衛星星座，Mynaric等光通信供應商看到了一個(gè)蓬勃發(fā)展的市場(chǎng)。據Mynaric稱(chēng)，當今光通信在電信和軍用市場(chǎng)的潛在總額為只有8億美元，而到2030年可能增長(cháng)到超過(guò)100億美元，最終可能將超過(guò)200億美元。

  LCRD低地球軌道用戶(hù)調制解調器和放大器終端。

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

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

  五角大樓對其自己的衛星進(jìn)行重組，其指揮、控制、計算機、通信、情報、監視和偵察等方面的預算增長(cháng)了8%。

  新的案例推動(dòng)商業(yè)在軌衛星在未來(lái)10年內從現在的4800顆增加到35000多顆，其中每年發(fā)射2000多顆衛星。

  Mynaric公司的衛星光通信系統的應用潛力巨大。

  據分析師估計，在接下來(lái)的四年里，Mynaric公司的收入可以增長(cháng)到2.61億歐元(2.86億美元)，復合年增長(cháng)率為100%。

  Mynaric的客戶(hù)包括諾斯羅普-格魯門(mén)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(wàn)美元，其每個(gè)設備的毛利率目標是30%~35%，每顆衛星需要四個(gè)Condor終端來(lái)構建有效的通信網(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MRO市場(chǎng)帶來(lái)新機遇。

  諾斯羅普-格魯門(mén)公司最近幾周贏(yíng)得了美國太空開(kāi)發(fā)署(SDA)的7億美元合同，成為OISL星座的三個(gè)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(guān)人士表示，這一市場(chǎng)的快速增長(cháng)主要由政府項目推動(dòng)，因此該領(lǐng)域非常關(guān)注政府方面動(dòng)向。Mynaric公司在2021年第三季度開(kāi)設新的工廠(chǎng)，其目標是自2022年起每年生產(chǎn)400~500個(gè)終端設備，未來(lái)產(chǎn)能將達到年產(chǎn)2000個(gè)。(文章編譯自《航空周刊》網(wǎng)站)