图 1.在低地球轨道上的成对卫星之间的激光链路将为全球无线网络提供骨干网，并通过无线电链路连接到地球。
三十年前，第一条长距离海底光缆通过提供更低的延迟和更大的带宽，将通过地球同步卫星路由的国际电信流量带回地球。现在，计划中的低地球轨道小型卫星星座希望通过为世界上近一半缺乏宽带互联网服务的人口提供更低的延迟和更多的带宽，将电信带回太空。这些卫星之间的激光链路将提供系统的骨干网（见图1）。
太空激光通信的想法可以追溯到 1960 年激光器的诞生，当时西奥多·迈曼 （Theodore Maiman） 将其作为一种潜在应用提出。然而，直到2008年，两颗低地球轨道卫星——欧洲雷达卫星TerraSAR-X和美国军用卫星近场红外实验（NFIRE）——之间才首次展示了星间激光链路，Tesat Spacecomm激光通信系统产品经理Philipp Biller说（巴克南，德国）。Tesat提供的激光终端平均需要不到25秒的时间才能相互锁定并开始以5.6 Gbit/s的速度在两个方向上传输。只要两艘航天器彼此在视线范围内，试运行就会继续进行，平均大约20分钟，在此期间它们之间的激光连接旋转了大约80°。实验持续了几个月，误码率低于10-8，范围可达8000公里。
2013年，美国宇航局（NASA）展示了深空的第一个激光链路，当时其月球激光通信演示（LLCD）以622 Mbit/s的速度从月球传输数据，成为头条新闻。这标志着与无线电波可能实现的数据速率相比有了很大的提高。
2016年，空中客车公司（Airbus）的SpaceDataHighway（SpaceDataHighway）开始运营首个商用激光星际链路，利用Tesat激光通信终端将四颗卫星在低地球轨道上采集的高优先级图像数据传输到地球同步轨道上的中继器，以便将无线电传输到地面。低卫星中的高速激光上行链路跟踪地球同步卫星，因此它可以快速中继图像，而无需等待通过地面站。然后，同步轨道可以通过其高速微波链路将图像中继到地面上的云服务器。2019年增加了第二颗地球同步卫星，提高了中继速度。
与此同时，太空激光通信出现了一个引人注目的新愿景：在近地轨道上使用激光连接的卫星，将宽带互联网和其他服务运送到光纤电缆无法到达的地方。麻省理工学院林肯实验室（马萨诸塞州列克星敦）的蒂姆·亚纳尔（Tim Yarnall）指出，有两个关键因素推动了这一趋势。“SpaceX颠覆了发射服务行业，使得进入低地球轨道的成本大大降低，”他说。“推动制造小型卫星已经创造了一个供应商基础，制造建造在低地球轨道上工作的系统所需的所有东西。
由数千颗卫星组成的星座这个想法是在距离地面 300 和 2000 公里的地方运行数百或数千颗小型卫星，并确保至少有一颗卫星始终位于任何被服务点上方的天空中。这些卫星将以多个环绕地球运行，这些环以不同的高度和位置间隔以避免碰撞。卫星将均匀地分布在每个环周围，因此激光链路将始终可以看到一两个相邻的卫星（见图2）。单个地面站将连接到从头顶经过的卫星以发送信号，当该卫星超出范围时，它会将连接移交给跟随其轨道的下一颗卫星。一旦进入太空，信号就会通过一系列星间链路进行路由，直到它到达经过目的地的卫星，该卫星会将信号路由到当地的地面站。
（图片由麻省理工学院林肯实验室的 T. Yarnall 提供）
地面站和卫星之间可能存在微波链路，因为云和降水会阻挡空气中的光信号。一些建议设想了卫星之间的微波链路。然而，对于大气层以上的星间链路来说，激光链路比无线电频率具有重要优势：更高的传输带宽、更小的接收器和更紧密的波束以增强安全性。光波段面临的最大挑战是需要维持相邻卫星之间的激光连接，因为整个星座在太空中移动，每颗卫星的最近邻居都在不断变化。
该计划是超越当今卫星电话系统有限带宽的巨大飞跃，并引起了公司的广泛关注，这些公司希望向现有电缆服务不佳的大片地区提供宽带服务，包括非洲大部分地区、中亚、北极和美国中部农村地区。Facebook很早就提议从高空飞行的无人机进行发射，但现在正在考虑卫星。谷歌的 Project Loon 在 18 至 25 公里的高度飞行气球，并与 Telkom Kenya 签订了在农村地区提供服务的合同。由成百上千颗低轨道卫星组成的舰队可以服务于更广阔的区域，并且与地球同步轨道的四分之一秒往返时间相比，延迟要低得多。
亚马逊、波音和SpaceX都宣布了数千颗小型低轨道卫星的计划，Facebook也对此感兴趣。2019 年 5 月初，《航空周刊》统计了 32 家公司的提案，这些提案涉及低地球轨道上总共 13,529 颗小型通信卫星。当时只有几颗测试卫星在轨道上，但在 2019 年 5 月 23 日，一颗 SpaceX 为其 Starlink 系统发射了 60 颗测试卫星;随后的三次发射增加了更多的卫星。这些卫星没有为整个系统规划的激光发射器，但有内部发动机，可以将它们从440公里的下降点提升到550公里的最终轨道。SpaceX现在正在谈论在最初计划的4400颗卫星的基础上增加大约7500颗卫星，这将使Starlink星座接近12,000颗卫星。
激光硬件射频传输更便宜，但激光器可以以适度的溢价提供更多带宽。这导致激光器开发人员将注意力集中在 10 Gbit 数据速率上，以便他们能够超过微波可用的数据速率。
计划中的星间激光链路主要基于为地面光纤系统开发的技术。麻省理工学院林肯实验室的Tim Yarnall说，几乎所有正在开发的发射器都基于分布式反馈二极管激光器，其次是光纤放大器。1550 nm 铒波段和 1030–1080 nm 镱波段都在考虑之中。“你可以在1550纳米处买到很多好的零件，”他说，但“在一微米处更容易产生电力。Tesat 使用 1064 nm 二极管泵浦固体激光器进行到地球同步轨道的长距离继电器。空间数据系统咨询委员会（Consultative Committee on Space Data Systems）是一个标准组织，最近建议将1550纳米用于轨道的下行链路，将1微米用于上行链路，以保持波长分离。然而，这项技术仍在不断发展。
Mynaric， AG（德国吉尔兴）的Paul Cornwell说，7-15千克的终端可以在4500公里的卫星间链路上传输10 Gbit/s，该公司成立于十年前，旨在开发用于航空航天的无线激光链路。“未来是太比特的速度，”他说。该公司正在研究100 Gbit/s，但其目前的产品以10 Gbit/s的速度运行。图 3 显示了 Mynaric 地基激光终端。
（图片由Mynaric提供）
“指向、采集和跟踪是空间激光通信中最具挑战性的问题，”Yarnall说。一个基本的权衡是方向性与功率——光束发散越紧密，目标的功率就越高，但对方向性的要求就越高。激光发散可以窄至 10 μrad。“对于我们支持的NASA（深空）计划来说，这可能是值得的，”他说。“尺寸、重量和功率是关键问题，因此它们让我们可以使用非常复杂的指向控制系统来发挥性能，而不是向各个方向喷射动力。”
对于在低地球轨道上由数百或数千颗卫星组成的星座来说，经济性非常不同，其中轨道在几年内就会衰减，因此必须经常更换卫星。为了控制成本，卫星必须体积小、大规模生产和大规模发射。然而，它们还必须足够复杂，以保持其发射器正确对齐，以便与轨道上的邻居进行通信，并且系统必须具有足够的弹性，以便在单颗卫星发生故障后继续工作或快速恢复。
它增加了一系列严格的要求。普遍的共识似乎是，计划中的星座需要基于重达500公斤的“小卫星”。这还不到EuropeanDataHighway中地球同步卫星5300公斤的十分之一，足够小，可以在一枚火箭上发射几颗，以降低成本。SpaceX的Starlink卫星重达227公斤，将携带四条中继链路，其中两条连接到轨道前后的卫星，另外两条连接到其他轨道上最近的卫星。预计每个激光终端重 7 至 15 公斤，它们将占 30 至 60 公斤，占卫星总数的八分之一至四分之一。电力、指向和跟踪、控制系统、推进器和其他设备将占平衡。
大多数架构都需要从低地球轨道到地面站的射频下行链路，因为无线电可以通过云和降水传递信号，这使得激光下行链路不可靠。Tesat 是一个例外，它提供 Tosiris 激光下行链路，可以将高达 10 Gbit/s 的速率传输到带有上行信标的地面站，以帮助锁定接收器。Biller说，为了应对天气问题，他们在信号传输的区域安装了几个地面站，并让系统选择空气最清澈的站点来接收信号。该系统旨在下载卫星信息，因此上行链路只需要每秒几兆比特，而上行链路也是通过激光传输的。图 4 比较了用于低轨道到地面以及地球同步卫星之间的 Tesat 激光发射器。
（图片由Tesat提供）
由10 x 10 x 10厘米的模块组装而成的卫星被称为“立方体卫星”，一直处于人们的视线中，因为它们为激光导星研究等项目提供了廉价的太空通道。他们还在接受通信测试。麻省理工学院太空通信、天文学和辐射实验室的Kerri Cahoy小组还开发了一种工具，用于优化立方体卫星的指向激光束，将信标跟踪误差降低到平均16微拉德。Tesat向一位身份不明的美国客户交付了一个360 g、9.5 × 9.5 × 3.25 cm 激光通信终端，能够以 100 Mbit/s 的速度从近地轨道传输到地面。
然而，立方体卫星的小尺寸限制了它们在星座中的实用性。“立方体卫星在电力上是出了名的害羞，”Yarnall说，这是对设计发射器和控制系统以连接到星座中其他卫星的限制。Biller认为，立方体卫星的通信可以在低数据速率下用于地球观测或物联网（IoT）链路，但星座需要更大的“小卫星”。
计划和展望一些重大计划的细节仍然模糊不清。波音公司已向联邦通信委员会（Federal Communications Commission）提交了一个由约3000颗低地球轨道通信卫星组成的星座计划，并投资了Bridgecomm（科罗拉多州丹佛市），这是一家为地面站和在1550纳米波段运行的低轨道卫星提供激光通信设备的制造商。亚马逊已经提交了一个名为Project Kuiper Systems LLC的3,236颗卫星的计划，该卫星将在590、610和630公里处运行卫星，为生活在赤道纬度不超过56°的全球95%的人口提供服务。但是关于这两个大星座的其他细节很少。许多其他公司也在悄悄地制定建造设备或发射激光连接卫星的计划。
其他计划不涉及激光。OneWeb（弗吉尼亚州麦克莱恩）计划建立一个由588颗低地球轨道卫星组成的星座，其中49颗位于18个轨道平面上，这些卫星将通过卫星将最终用户连接到通过微波的地面网关，而无需卫星间连接。OneWeb于2019年7月16日发射了6颗测试卫星，并计划在2019年12月再发射30多颗，并定期发射更多卫星。
由于担心军事通信和行动过于依赖大型且脆弱的地球同步卫星，DARPA的Blackjack计划正在制定在低地球轨道上建立全球高速网络的计划。目标是建立一个更灵活、更有弹性的系统，可以利用商业技术，并且不依赖于地球同步轨道上的几个诱人目标。
用于低地球轨道卫星的第一代商用激光通信终端正在开发中。“时间表很困难，”Cornwell说，但Mynaric希望在2020年4月之前完成其10 Gbit/s激光终端的认证，并在今年晚些时候开始生产。Tesat计划于2020年在国际空间站上测试其10 Gbit/s Tosiris卫星终端。真正的硬件应该很快就会从生产线上下线。未来的5G网络可能会使用这种容量。
很难相信，所有计划中的大约20,000颗卫星都将发射出去。另一方面，如果它们都以 10 Gbit/s 的速度运行，并且每个都传输一个信道，则总容量约为 200 Tbit/s。这仅比太平洋轻缆中所有六对光纤的144 Tbit/s容量大35%左右，这是目前世界上单根光缆的最高容量。难怪康威尔说“未来是太比特的速度”。
