星间激光通信行业研究报告 | 源流研究

引言：开启太空高速信息时代

随着全球航天活动的日益频繁和数据需求的爆炸式增长，传统的基于射频（RF）技术的卫星通信面临着频谱资源紧张、带宽有限、易受干扰等瓶颈。星间激光通信，又称自由空间光通信（Free-Space Optical Communication, FSO），利用激光束作为信息载体在空间进行数据传输，正以其高带宽、高速率、高安全性、抗干扰能力强、终端尺寸小、重量轻、功耗低等显著优势，成为构建下一代天基信息网络的核心技术。

星间激光通信系统本质上是一个在太空中建立的点对点光通信系统。其核心在于一个高度精密的光学通信终端（Optical Communication Terminal, OCT），该终端集成了光学、机械、电子和控制等多个领域的尖端技术。

（一）系统基本构成

一个典型的星间激光通信终端主要由三大子系统构成：

1.发射子系统：负责将电信号转换为光信号并将其发射出去。它主要包括：

（1）激光器：产生高功率、窄线宽的激光束，常用波长包括 1064nm 和 1550nm 等。1550nm 波段因其在光纤通信中的成熟应用、较高的激光器效率以及对人眼相对安全而备受青睐。

（2）调制器：将待传输的数字信息加载到激光束上，通过改变激光的强度、相位或频率等参数实现。

2.接收子系统：负责接收微弱的激光信号并将其转换回电信号。它主要包括：

（3）光学天线（望远镜）：用于接收来自远方的微弱激光信号，其口径大小直接影响接收能力和链路预算。

（4）光电探测器：将接收到的光信号转换为电信号，要求具有高灵敏度和高响应速度。

（5）解调器：从电信号中恢复出原始的数字信息。

3.捕获、对准与跟踪（Acquisition, Pointing, and Tracking, ATP）子系统：这是星间激光通信技术中最具挑战性的核心部分。由于卫星在太空中高速相对运动，且激光束非常窄（通常为微弧度量级），ATP 系统必须确保两个终端能 “看” 到对方并时刻保持对准。

（1）捕获（Acquisition）：在初始阶段，通信双方的终端并不知道对方的精确位置。捕获过程通过发射一束较宽的信标光（Beacon Light）在预估的不确定性区域内进行扫描，直到对方终端探测到该信标光并予以响应，从而建立初始联系。

（2）对准（Pointing）：建立初始联系后，系统通过高精度的伺服机构（如快反镜）调整光束方向，将通信光束精确地指向对方的接收器。这一过程要求极高的精度，通常需要达到微弧度（μrad）甚至亚微弧度的级别。例如，一些先进系统的链路跟踪误差要求小于 5 微弧度。

（3）跟踪（Tracking）：在整个通信过程中，由于卫星平台的振动、姿态变化和相对运动，ATP 系统需要利用信标光或通信光本身作为反馈信号，通过闭环控制，实时、动态地补偿这些扰动，始终保持光束的精确对准。

（二）关键技术指标解析

1. 数据速率（Data Rate）：这是衡量通信能力的核心指标。早期实验的速率在 Mbps 级别，如 NASA 的 LLCD 项目实现了 622 Mbps 的下行速率。而当前的技术已经实现了巨大飞跃，商业和实验系统普遍达到 Gbps 级别。例如，欧洲的 EDRS 系统提供 1.8 Gbps 的服务，长光卫星完成了 10 Gbps 乃至 100 Gbps 的在轨测试。更具突破性的是，中国企业极光星通在 2025 年 3 月宣布完成了 400 Gbps 的星间激光通信在轨试验，创造了新的纪录。未来单波速率有望达到 400 Gbit/s 量级甚至更高。

2. 通信距离（Link Distance）：不同的应用场景对通信距离要求迥异。低轨（LEO）星座的星间链路距离通常在数千公里（如 2000 公里至 5100 公里），而地月通信则达到近 40 万公里，深空通信更是远至数亿公里。

3. 波束发散角（Beam Divergence Angle）：激光束的发散角极小，通常在微弧度（μrad）量级，这使得能量高度集中，保证了远距离通信的信号强度，但也对 ATP 系统的指向精度提出了极高要求。典型的发散角在几个到几十个 μrad 之间。

4.尺寸、重量和功耗（SWaP）：对于卫星载荷而言，SWaP 是至关重要的设计约束。技术发展的趋势是不断减小终端的体积和重量，同时降低功耗。例如，一些小型化终端的重量已控制在 15-30 公斤，功耗在 100 瓦特左右。更小型的终端功耗甚至低于 20W。

三.

主要应用场景分析

（一）场景一：卫星星座间互联

低地球轨道（LEO）卫星星座，如 SpaceX 的 Starlink、OneWeb 等，旨在提供全球覆盖的宽带互联网服务。这些星座由成百上千颗卫星组成，星间激光链路是构建其 “太空互联网” 骨干网的关键。

1. 应用价值

（1）全球无缝覆盖：通过星间链路，数据可以在卫星之间快速中继，无需依赖地面站，从而实现对海洋、极地、沙漠等地面基础设施匮乏区域的连续覆盖。

（2）降低时延：数据在真空中以光速传播，路径比通过地面光纤网络更短、更直接，可以显著降低长距离通信的端到端时延。

（3）提升系统容量：星间链路分担了大量的回传数据流量，减轻了对地面关口站的压力，从而提升了整个星座的网络容量。

2. 技术挑战与要求

（1）高动态跟踪：LEO 卫星相对运动速度极快，要求 ATP 系统具备极高的动态性能和快速的链路建立 / 重构能力。

（2）批量化与低成本：庞大的星座规模要求激光终端必须实现小型化、轻量化、低功耗和低成本，以便于大规模生产和部署。

（3）复杂的网络管理：在由数千个节点组成的动态网络中，路由协议、链路调度和网络资源管理变得异常复杂。

3. 实验验证案例

（1）长光卫星 “吉林一号” 星座：在 2023 年和 2024 年，长光卫星先后成功完成了 10 Gbps 和 100 Gbps 的星间高速激光通信实验，验证了其在轨图像数据的快速回传能力。

（2）极光星通 400Gbps 星间链路试验：2025 年 3 月，极光星通利用其 LT-II 型终端，在两颗在轨卫星之间实现了 400Gbps 的超高速数据传输，通信距离 640 公里，链路跟踪误差小于 5 微弧度，传输了 14.4TB 的数据，这是目前公开报道的中国最高在轨星间激光通信速率。

（二）场景二：地面到卫星的高速链路

星地激光通信是解决海量遥感数据快速下传、深空探测器与地球通信等难题的有效手段。

1. 应用价值

（1）高通量数据下行：对地观测、气象、侦察等卫星产生的数据量日益庞大，传统的射频下行链路已成为瓶颈。激光通信可提供远超射频的下行速率（Gbps 甚至 Tbps 级别），大幅缩短数据回传时间。

（2）深空通信：随着探测器距离地球越来越远，射频信号的衰减愈发严重。激光通信因其高方向性，在相同发射功率和天线口径下，能实现更高的数据速率和更远的通信距离。

2. 技术挑战与要求

（1）大气湍流影响：这是星地激光通信面临的最大挑战。大气中温度和压力的不均匀分布会导致光束发生闪烁、漂移、扩展和波前畸变，严重影响通信质量。

（2）天气依赖性：云、雾、雨、雪等天气会严重衰减甚至阻断激光信号，限制了链路的可用性。

（3）激光安全：从地面发射高功率激光束需要严格的安全规程，以避免对飞机、卫星及人眼造成伤害。

3. 应对技术与实验验证

（1）自适应光学（Adaptive Optics, AO）：通过波前传感器探测大气畸变，并利用变形镜等校正器件实时补偿，是克服大气湍流影响的关键技术。

（2）多地面站组网：在不同地理位置部署多个地面站，利用站址分集技术，确保当某个站点受天气影响时，卫星仍能与其他站点建立通信。

4. NASA 项目典范

（1）LLCD (2013 年)：成功演示了地球与月球轨道探测器之间 622 Mbps 的下行和 20 Mbps 的上行激光通信，验证了深空激光通信的可行性。

（2）LCRD (2021 年发射)：作为 NASA 首个端到端的激光中继系统，在地球轨道上进行双向激光通信中继实验，速率达 1.2 Gbps，为未来的天基网络提供技术验证。

（3）DSOC：旨在测试更远距离的深空光通信技术，为未来火星任务等做准备。

四.

行业标准与监管要求

（一）技术标准与协议

1. 空间数据系统咨询委员会 (CCSDS)：作为空间通信领域的权威国际标准组织，CCSDS 正在积极制定光学通信的相关标准，以确保不同国家和机构航天器之间的互操作性。

（1）物理层：CCSDS 141.0-B-1 (Optical Communications Physical Layer) 定义了光学通信的物理接口、波长、调制方式等基本参数。

（2）编码与同步：CCSDS 142.0-B-1 (Optical Communications Coding and Synchronization) 规定了用于提升数据传输可靠性的信道编码和同步方案。

（3）调制与编码方案推荐：CCSDS 针对不同应用场景推荐了不同的技术方案。例如，在光子数受限的深空通信场景中，推荐使用高光子效率（HPE）的脉冲位置调制（PPM）；而在高数据率（HDR）场景中，则推荐使用二进制相移键控（BPSK）、差分相移键控（DPSK）等相干调制方式。在前向纠错码（FEC）方面，低密度奇偶校验码（LDPC）和 Turbo 码因其接近香农极限的优异性能而被广泛推荐。

2. 国际电信联盟 (ITU)：ITU 主要负责全球无线电频谱和卫星轨道资源的协调与管理。虽然激光通信不占用射频频谱，从而免于复杂的频谱许可流程，但 ITU 仍在相关传播模型（如 ITU-R P.1817-1，关于大气衰减的预测）和系统兼容性方面提供指导。

（二）监管与安全审批

对于实验验证项目，特别是涉及地面站的星地链路实验，必须严格遵守相关的监管和安全要求。

1. 激光安全：这是地面发射激光的首要考虑因素。实验必须遵循国际标准如 IEC 60825 和各国国内标准（如中国的 GB 7247 系列，美国 ANSI Z136 系列），确保激光辐射不会对航空器、在轨卫星以及地面人员造成危害。

2. 空域协调（美国经验参考）：在美国，任何向太空发射激光的活动都必须与美国太空司令部（U.S. Space Command）的激光清除所（Laser Clearing House, LCH）进行协调。运营方需提前提交详细的激光操作计划，包括激光器参数、发射位置、指向方向和时间等。LCH 会进行碰撞风险评估，并提供每日的 “禁射窗口”，以避免意外照射到载人航天器或其他敏感卫星。同时，与美国联邦航空管理局（FAA）的协调也是必需的，以确保飞行安全。

3.中国监管流程：目前，中国尚未公开发布针对商业或科研星地激光通信的完整、详细的审批流程指南。然而，参考现有管理框架，此类实验很可能需要向工业和信息化部（MIIT）申请，涉及卫星通信网的建设和地球站的设置审批。同时，作为航天活动的主管部门，国家航天局（CNSA）也可能参与项目的评估与监督。实验项目方应主动与这些机构沟通，提交包含技术方案、链路预算、特别是详尽的激光安全评估报告在内的申请材料，以获得批准。处理时限可参考工信部对常规卫星业务审批的 20 个工作日，但具体项目可能因其复杂性而异。

五.

前沿技术发展趋势及其对实验项目的影响

星间激光通信技术正处于快速迭代和创新阶段，以下几个方向将深刻影响未来的实验验证和系统部署：

1. 集成光子技术（Photonic Integrated Circuits, PIC）：将激光器、调制器、探测器等多个光学元器件集成在单个芯片上，能够极大地减小激光通信终端的尺寸、重量、功耗和成本（SWaP），是实现低成本、大规模卫星星座部署的革命性技术。实验项目应积极探索和验证基于 PIC 的终端方案，以抢占未来市场的制高点。

2. 人工智能（AI）驱动的 ATP：传统的 ATP 控制算法依赖精确的模型和参数。引入 AI 和机器学习算法，可以使 ATP 系统具备自主学习和预测能力，更智能地应对复杂的空间环境扰动（如平台微振动、大气湍流），显著提升链路的稳定性和鲁棒性。这为实验项目提供了新的优化方向，尤其是在高动态或恶劣通信环境下。

3. 多波束与组网技术：通过相控阵或微机电系统（MEMS）技术，单个终端可以生成并同时控制多个激光束，实现与多个卫星的同时通信。这种 “一对多” 的能力将彻底改变卫星网络的拓扑结构和路由效率。未来的实验项目应考虑验证多波束终端的性能，为构建更灵活、更具弹性的天基网络奠定基础。

4. 量子通信融合：将激光通信与量子密钥分发（QKD）技术相结合，可以在提供高速数据传输的同时，实现基于物理原理的、理论上不可破解的 “绝对安全” 通信。中国的 “墨子号” 卫星已经成功进行了相关实验。这为对安全性有极高要求的应用（如国防、金融）提供了新的技术路径。

六.

实验验证项目关键参数参考

（一）技术性能趋势

1. 速率：主流技术指标已从 Mbps（早期验证）全面迈入 Gbps 时代，并正在向 100Gbps+ 和 Tbps（单波 400Gbps）迈进。高速率是应对数据洪流的核心。

2. 距离：覆盖了从 LEO 轨道间（几千公里）、GEO-LEO（约 4.5 万公里）到深空（数千万公里）的全场景应用。

3. 波长：1550nm 波段因其器件成熟度和人眼安全优势，已成为绝对主流；1064nm 波段在 Tesat 等欧洲产品中仍有应用。

（二）研发状态与商业模式

1. 政府主导（NASA, ESA, JAXA, 中国国家队）：侧重于技术验证、前沿探索（深空）和建设国家基础设施（中继系统）。

2. 商业公司（SpaceX, Mynaric, Tesat, 中国商业航天）：侧重于规模化应用、降低成本和满足星座组网的即时需求。SpaceX 已一骑绝尘，实现了最大规模的部署和应用。

3.竞争格局：美国在大规模部署（Starlink）和技术前沿（DSOC）上均处于领先地位。欧洲凭借 Tesat 和空客拥有最成熟、最商业化的产品和实际运营经验（EDRS）。中国发展迅猛，呈现 “国家队与商业公司齐头并进” 的态势，在超高速率（极光星通）、工程化与可靠性（蓝星光域、二十五所）和系统组网（国家队）上均取得了显著进展，已成为全球该领域不可忽视的重要力量。日本亦有扎实的技术积累和系统部署（JDRS）。

注：数据综合自多个来源，可能存在细微差异。

七.

结论与展望

星间激光通信技术正从技术验证阶段迈向规模化、商业化应用的新纪元。以400Gbps为代表的超高速率在轨试验的成功，标志着该领域的技术成熟度达到了新的高度。

核心结论如下：

1. 技术可行性已充分验证： 无论是服务于LEO星座的星间互联，还是支持深空探测的星地高速链路，激光通信的核心技术难题（如超高精度APT）已基本攻克，并已在多个在轨项目中得到验证。

2. 应用场景明确且需求迫切： 巨型星座、对地观测、深空探索等领域对高速数据传输的巨大需求，为星间激光通信提供了广阔的应用市场和强大的发展动力。

3.标准化与小型化是关键： 要实现大规模商业部署，制定统一的行业标准以实现不同系统间的互操作性，并通过集成光子等技术。