星链引领星间激光通信

星间激光通信是下一代通讯发展趋势，SpaceX 星链、中国星网（GW 星座）、千帆计划（G60）等全球低轨星座计划加速落地。星间激光通信凭借带宽高（Tbps级）、时延低（纳秒级）的核心优势，成为海量数据跨星传输的刚需技术。星地通信可灵活采用激光链路和射频链路，高轨（GEO）卫星和中轨（MEO）卫星多承担数据中继任务，低轨（LEO）卫星与地面距离近，多承担与地面站、空中载具以及地面用户等的直接通信任务。激光通信的窄波束特性导致激光链路的建立难度相比射频链路大得多，因此需要配合更复杂的瞄准捕获跟踪（PAT）系统。

激光通信进展

Starlink（星链）作为 SpaceX 旗下全球领先的低轨卫星互联网项目，2025 年进入规模化运营与全球化扩张的关键阶段。截至 2025 年底，其在轨卫星数量接近1 万颗，覆盖 140 余个国家和地区，用户规模突破 800 万，年度营收预计达 100-110 亿美元，首次超越火箭发射业务成为 SpaceX 核心收入来源。当前全球低轨卫星产业进入加速阶段，SpaceX、欧洲 IRIS² 、俄罗斯“球体”等星座计划催生了对高速激光通信终端的迫切需求。

 

互联网的普及，光纤通信的广泛应用，无疑是现代通信技术的一大飞跃。光纤利用光的全反射原理，其带宽远超同轴电缆和双绞线，为高速数据传输提供了坚实基础。在长距离传输中，光的信号衰减远低于传统电信号，使其成为长距离通信的理想选择。在此基础上，激光通信，凭借其优异的信息传输特性，正逐步成为连接太空与地面通信的新桥梁。

通信方式变化

我国正在完成微波通信向激光通信的转变，激光通信系统的工作原理基于激光的产生、调制、传输和接收。激光二极管或激光发生器产生的高度单色、方向性强、亮度高的光波，通过幅度调制（AM）或频率调制（FM）将信息加载到激光载波上。发射望远镜将调制后的激光发送到空间，而接收望远镜则捕捉从发射端传来的激光。接收到的激光信号经过解调，将激光信号转换回原始的电信号，经过放大、滤波等处理，恢复或解码原始数据。

微波通讯用的频率有点像城市规划。国际电信联盟把天空的某些”地段”分配给了卫星通讯：X 频段 （7-8 GHz）：就像是老城区，传统卫星使用，信号稳定但很拥挤 Ku 频段 （12-14 GHz）：像是商业区，电视直播和通讯混用，频繁堵车 Ka 频段 （20-30 GHz）：像是新开发区，可以用更高频率，但离我们远，信号衰减快全世界几百颗卫星都要共享这些频段，结果就是经常互相干扰。想多占一点频率就必须经过复杂的国际协调，而且协调成功的概率还很低。

图1 激光通信和微波通信对比图

激光通讯的优势在于其高传输速率、抗电磁干扰能力以及能够绕过大气湍流造成的干扰，保持通信的稳定性。激光通讯的带宽远超传统的无线电波通信，这对于传输大量数据，如高分辨率图像和视频，极为重要。抗干扰能力上，激光信号在长距离传输的衰减远低于无线电波，超长距离的空地联系使得这一优势得到了进一步的放大。同时，激光通讯的频谱资源丰富，无需占用传统的无线电频谱资源，也因此不受无线电频谱使用的法规和限制。

除了通讯技术上的创新，低轨道纳米卫星在机动性和隐蔽性上也有巨大的突破。激光通信所需的接收器和发射器口径较小，这有利于减小卫星的体积和重量，降低发射成本。激光通信波束窄，不易被截获，提高了通信的安全性。

长期来看，激光通讯系比传统的无线电通信系统功耗更低，大大降低地面和太空通信基础设施的运营成本。激光通信的优势使其在特定应用领域，如军事、航空航天和高速数据传输，具有巨大的潜力。然而，要充分利用这些优势，必须克服诸多的挑战。

图2 激光通信原理图

激光通信的关键挑战之一是减轻大气湍流的影响。大气湍流会引起激光信号的闪烁和偏移，影响通信质量。尤其是在大气条件恶劣的情况下，如雾、雨、云层等，激光通讯的稳定性会受到影响。其次，激光虽然能穿透一些较薄的云层，但厚云层和极端天气条件仍然会显著影响激光通讯的通讯质量。

卫星激光通信主要建立太空间（星与星或星与地）的高速大容量和低延迟的数据传输电路，构建太空中的骨干网链路。其应用场景包括但不限于构建新型星座网络、高速数据传输、遥感数据传输、偏远地区宽带服务以及作为天基与地基网络的纽带，尤其在海洋覆盖不足或网络无法到达的偏远位置提供宽带服务，以及作为中继使用。

下行链路通常速率会更高，因为地面站的口径较大，发射能量更强。然而，上行链路也不一定慢，目前的激光通信技术也能实现高速传输，上行和下行的差异主要取决于链路裕度，而非绝对的速率差异。在五百多公里的对地通信中，上行和下行的传输性能基本一致，只要链路裕度满足，均可以实现高速传输。

图3 典型 PAT 系统发射端/接收端示意

激光通信赋能领域

当今的战争首先是电磁领域的战争。参战双方首先需要在电磁战场上争取胜利，战斗机、导弹、火炮、无人机才能在通讯的指挥下发挥出正常的作用。在电磁战场上的失利可能导致装备和人员面临巨大威胁。

而激光通信技术的普及，将为战场通信提供新的可能性。这种通信方式不易受干扰，且隐蔽性高，即使在无线电通讯无法使用的情况下，仍能保持通信畅通。

2025 年卢森堡 SES 公司计划对法国 Callabs 公司的新型光学地面站展开评估，尝试利用激光传输太空数据，替代传统的无线电信号。光通信技术速率高达 10Gbps，约为家庭常规网速的 100 倍，其高聚焦光束难以被拦截干扰，在政府和商业安全通信方面潜力巨大，还能缓解无线电频段拥堵。Cailabs 的“多平面光转换”技术则能像自适应眼镜一样，重塑并稳定波前，保障信号在流动空气中的相干性。该技术已在多种卫星和终端实地验证。SES 的 TILBA-OGS L10 地面站支持全双工 10Gbps运行和远程控制，将用其开展空对地测试，为商业集成做准备，未来还可在全球网关网络规模化部署。光学系统开辟新频谱的同时，还有低截获、低探测和低利用概率的特点，有望在太空通信领域掀起变革

航天创业公司 Cailabs 的地面通信站已实现相当程度的小型化，未来有望适用于车载甚至单兵携带。随着全球安全局势的变化，太空激光通信技术在未来将发挥越来越重要的作用。

激光通信核心价值

卫星激光通信利用波长更短的激光作为信息载体进行数据传输，能够实现比射频通信更高的传输速率；光波段的频谱资源丰富，具备比射频通信更大的带宽；此外，激光束的高度定向性和窄波束特性使激光难以被拦截和窃听。卫星激光通信凭借高速率、高带宽、高安全性以及频谱资源丰富等特点，已成为 6G 星地融合网络发展的重要支撑技术。

星间激光通信价值

• 星间激光通信重大突破

2025 年 7 月，国际电气与电子工程师协会（IEEE）旗下权威科 技媒体《IEEESpectrum》发表了题为《ChinaMakesHigh-SpeedLaserLinksinOrbit》的深度报道。该报道聚焦极光星通成功完成的 400Gbps 速率星间激光通信在轨实测，从多个维度对这一成果进行了系统性剖析，认为该测试是全球空间激光通信技术演进中的一个重要标志。

为了在信号传输过程中保持稳定的星间持续通信，需要使用高速可调的反射镜，来维持对目标的精确跟踪。因为激光链路对指向精度要求极高，任何微小错位都会破坏连接，导致通信中断。报道认为，极光星通以及全球范围内的其他商业与科研机构项目，对此的投入是值得的，因为激光通信链路的工作频率远高于传统无线电波。

激光通信凭借大容量、低延迟的优势，可显著提高单位时间内的数据传输规模，提升任务整体的数据回传效率。针对对于深空探测、科学观测等高数据密度任务，激光通信同样展现出巨大潜力。

• 星间激光通信优势

星间激光通讯要经历三个阶段，建立激光链路需要三个关键步骤，就是PAT 系统（指向 Pointing、捕获 Acquisition、跟踪 Tracking）。

第一步：指向（Pointing），即大致瞄准在建立细致的激光链路之前，两颗卫星首先要”知道对方大概在哪里”。这需要利用：

• 轨道预报数据（通过 GPS 或地面测控精确知道卫星位置）。

• 超前计算（因为卫星在快速运动，需要预测目标在通讯时刻的位置）。

第二步：捕获（Acquisition），即发送信标光初步瞄准完成后，一颗卫星开始发送一束很宽的”信标光”——这束光很弱，但很宽，覆盖很大的范围。另一颗卫星的探测器感受到这个信标光后，就知道了对方确切的位置。然后它立即反向发送自己的信标光回去。

第三步：跟踪（Tracking），即精确对准并维持捕获完成后，双方开始互相发送更细、更强的通讯信号光。但这时候卫星还在快速运动，所以必须不断调整光束方向，就像两枝激光笔的射手不断移动目标位置。这需要非常高的精度—— 误差不超过几个微弧度。为了实现这个精度，卫星装有极其灵敏的探测器和快速调节的反射镜。探测器每秒可以检测几百次，镜子可以快速响应每一次微小的偏差。

星间激光通信是下一代通讯发展趋势，SpaceX 星链、中国星网（GW 星座）、千帆计划（G60）等全球低轨星座计划加速落地。星间激光通信凭借带宽高（Tbps级）、时延低（纳秒级）的核心优势，成为海量数据跨星传输的刚需技术。以星链为例，其升级后的 V2.0 卫星已全面搭载激光终端，设计单星日传输量达 40TB，远超传统微波通信。同时随着 6G 空天地一体化战略的驱动，要求地面、空中、太空网络无缝融合，激光通信是唯一能满足全域覆盖、高速率、低时延的技术路径。

图4 星间激光通信重要性

星地激光通信价值

我国星地激光通信取得突破  根据人民日报报道，长光卫星技术股份有限公司（近期利用自主研制的“吉林一号”平台 02A01 星、平台 02A02 星，成功开展我国首次星间激光 100Gbps 超高速高分辨遥感影像传输试验。这一突破性成果不仅标志着我国在航天通信技术领域达到了世界先进水平，更将为我国的航天事业、科技发展乃至国家战略提供强大的技术支撑，成为航天通信史上的重要里程碑。100Gbps 的超高速传输速率，相当于能够在一秒钟内传输 25 部高清电影，或是在极短时间内完成海量数据的实时传输。这对于需要大量数据交互的航天任务而言，无疑是一场革命性的技术升级。

当前卫星激光通信网与地面光纤通信核心网和射频无线接入网在通信信道、信号体制、收发机形态、拓扑动态结构等方面都存在巨大差异，这就必然导致未来星地融合组网面临诸多挑战。星地通信可灵活采用激光链路和射频链路，高轨（GEO）卫星和中轨（MEO）卫星多承担数据中继任务，低轨（LEO）卫星与地面距离近，多承担与地面站、空中载具以及地面用户等的直接通信任务。激光通信的窄波束特性导致激光链路的建立难度相比射频链路大得多，因此需要配合更复杂的瞄准捕获跟踪（PAT）系统。

星地激光通信优势

卫星高分辨率（即高时间、高空间和高光谱）遥感观测产生的数据呈几何级增长。与此同时，随着遥感大数据价值的不断提升与凸显，大数据驱动的遥感应用研究对全球海量数据快速无损下传的需求日益迫切，现有的星地通信速率已逐渐无法满足需求。当前，星地通信主要采用微波体制，但微波频段资源有限，常用的 X 频段仅有 375 MHz，近年来开始应用的 Ka 频段也只有 1.5 GHz。激光频谱资源极其丰富，带宽可达 THz，比微波高了 2~3 个量级。同时，激光发散角小，能量高度集中，地面收到的激光功率密度高，所以卫星能够“轻装上阵”，能够以远小于微波通信载荷的体积、重量和功耗实现超高速率的通信。此外，激光还具有很强的抗电磁干扰能力，用激光作为载波进行数据的发射与接收，能显著提高星地通信的安全性。

星地激光大气信道具有复杂非稳态特征，其复杂性和非稳态性体现在：

• 发生在对流层中的雾、雨、雪、云等对激光的吸收和散射作用造成激光束能量的衰减，进而导致激光馈电通信质量恶化甚至中断；

• 近地面区域的非均匀大气层的实时动态变化引起大气折射率随机起伏变化，形成大气湍流。这种湍流效应会引起光束光场的随机变化，这种变化宏观上表现为光场空间相干性退化、光束漂移起伏、到达角起伏和光强闪烁，导致接收端信号光的光束质量变差。激光大气信道的特征给星地激光通信的任务规划、ATP（捕获、跟踪、瞄准）和激光信号接收处理等方面均带来极大挑战。

为了实现快速、稳定、可靠的星地激光通信，有以下三个核心研究：

• 大气信道预测及任务规划调度：长短时的云量和大气湍流建模和预报，定量分析和预测星地激光通信的可用度，并开展星地通信任务的规划和调度。
• 激光信号的快速捕获建链和自适应光学校正：复杂背景下弱信号的快速捕获和高精度跟踪，同时具备高带宽的自适应光学校正能力，能够保证稳定的高耦合效率，进而支撑后续信号的可靠处理。