太空激光正在改变世界。不是科幻小说中遥远的未来，而是当今数据和通信流动的宇宙——从深空任务到地球上的无数应用，包括消费者互联网服务、军事行动和银行交易。
激光可以以光速远距离传输大量数据，比以前在太空中的速度快100倍。光束的窄度使激光通信非常高效。高度聚焦的光对准接收器，从而将光束发散和信号损失降至最低，并可降低功耗。
保持目标
事实上，激光束的这种狭窄也带来了令人生畏的技术挑战。在太空激光通信中，当终端以不同的速度和方向移动时，需要无可挑剔的精度来将发射器和接收器远距离对准——这种精度水平可与 100 英里外的三分球相媲美。
工程师们通过开发由极其灵敏的传感器控制的快速转向后视镜 （FSM） 来应对这些挑战。这些系统将波束精确地固定在目标上，用于卫星对卫星和地对卫星链路以及深空通信，从而促进全球数据流的加速增长。
银河系网络
这些能力——带有FSM跟踪的激光通信——正在使我们更接近所谓的“银河互联网”。
这是五角大楼ARPA信息处理技术办公室（IPTO）的第一任主任J.C.R.Licklider在1960年代初创造的富有想象力的术语，用于描述向所有人开放的数字“网络”的可能性，该网络将成为“政府，机构，公司，信息交互的主要和基本媒介。 和个人。
阿帕网成为第一个具有分布式控制的广域分组交换网络，并被证明在塑造现代计算机网络和互联网方面发挥了重要作用。
铜缆无法满足对带宽的永不满足的需求
在互联网的早期，大多数数据都是通过铜缆传输的，利用了无处不在的电话网络。然而，由于导体中的电阻和介电损耗，铜上的电力传输会受到信号衰减的影响。
随着互联网从基于文本的电子邮件发展到图像、视频和游戏，标准的 56.6 波特拨号调制解调器已经过时，互联网服务提供商 （ISP） 和骨干网络需要新的传输方法来跟上数据流量的巨大激增。
幸运的是，当计算机科学家创建互联网时，光子学领域正在开发一种利用光传输数据的方法，比通过铜线传导的电流更快，距离更远。
光纤推动了互联网的发展
1960年，第一台连续工作的氦氖气体激光器被展示出来，十年后，康宁玻璃厂的科学家发明了超透明玻璃，可以大规模生产成低损耗光纤。到 1977 年，光纤开始通过公共电话网络传输流量。1986年，Sprint部署了第一个全国性的100%数字光纤网络。
光纤每秒可以传输高达 60 太比特，比铜缆快 700 倍以上。由于光信号不受电磁干扰和射频干扰 （EMI/RFI）、串扰和阻抗问题的影响，因此数据质量优越，这些问题会导致信号失真和铜缆损耗。
1986年出现了一个分水岭。掺铒光纤放大器 （EDFA） 的发明显着增加了光信号在需要电子中继器之前可以传输的距离，使光纤在洲际海底电缆中实用且经济。以前，浸没式铜缆的运行速度仅为每秒 140 兆比特，并且需要频繁间隔供电的电子中继器。
第一条跨大西洋光缆于1988年投入使用，比蒂姆·伯纳斯-李（Tim Berners-Lee）提出万维网（World Wide Web）早一年，导致互联网流量进一步爆炸式增长。如今，水下光缆承载着全球 95% 的数据流量。每根光纤的带宽超过 1 太赫兹，比铜线的带宽大一千倍。
自由空间光学
与铜线相比，光纤可在更长的距离内实现更高的数据传输速率。但是光纤受到光纤束长度的限制。如果光学数据传输的好处可以摆脱这种物理限制，在太空中延伸数千英里，那会怎样？
激光通信，也称为自由空间光学 （FSO） 通信，利用为光纤开发的大部分技术通过空气、真空或外层空间无线传输数据。当光在太空中传播以进行星间和深空链路时，FSO在很远的距离上是可靠的。
不幸的是，在地球上，雾、雨、尘埃、热甚至鸟类等大气因素对自由空间光学 （FSO） 技术构成了重大挑战。这些因素导致信号故障和不可接受的错误率，并限制了地面终端之间长距离点对点光链路的可行性。
在 2000 年代初期，Terabeam、AirFiber 和 CableFree 等公司在 FSO 上投入了大量资金，作为光纤的替代品。然而，这些企业都无法克服大气条件带来的挑战，建立商业上可行的服务。
地面激光互联网服务正在复苏，已在包括澳大利亚、肯尼亚和斐济在内的 13 个国家/地区部署。2023 年 6 月，谷歌母公司 Alphabet 公布了其雄心勃勃的计划，即在印度和非洲难以部署光纤的地区大规模实施，目标是在 20 公里范围内提供高达 20 Gbps 的双向吞吐量。
太空激光器的性能远远优于射频
这些距离限制在地球大气层之外的“自由空间”中并不存在。激光器在广阔的太空中远距离表现异常出色，比使用射频 （RF） 的效率要高得多。
在FSO出现之前，太空中的所有通信都使用无线电和微波频段，即波长最长、频率最低的电磁频谱区域。美国宇航局使用S波段（2-4 GHz）从月球发射电视信号，后来X波段（8-12 GHz）和Ka波段（27-40 GHz）提供了更快的传输速率。美国宇航局的深空网络目前在Ka波段实现了高达50 Mb/s的速度。
低传输速率并不是射频的唯一缺点：无线电信号在传播时会分散开来，从而导致另外两个问题。首先是射频频谱过度拥挤，导致射频无线电波过度拥挤，造成干扰、拦截或干扰，可用频谱的稀缺性严重制约了业务的扩展。
第二个问题是波束发散会导致射频信号的显著衰减。距离越远，接收到的信号越弱。为了补偿，发射器和接收器被扩大，功耗增加，对卫星和航天器提出了昂贵的要求。射频地面站的天线直径可达 230 英尺（70 米）。
空间激光器的优势
激光通信为射频的这些挑战和局限性提供了有效的解决方案。
带宽 – 与传统射频信号相比，激光通信的主要优势是带宽的显着增加。空间激光器使用电磁波谱的不可见红外辐射（IR）部分，其频率范围从约300千兆赫兹（GHz）到约400太赫兹（THz）。频率越高，波形中可编码的数据就越多，与射频相比，有效带宽增加了 10 到 100 倍。
低延迟 – 更快不仅仅指每秒增加的数据传输量。与射频的数百毫秒相比，激光通信还通过延迟 10-20 毫秒的近乎瞬时的数据传输显着降低了延迟。
无频谱拥塞 – 短波长（小于 0.1 厘米，而 0.8 至 15 厘米的射频波长）和高度聚焦的光束使 FSO 摆脱了频谱过度拥挤的许多麻烦和限制。激光通信链路不会相互干扰，因此在太空中扩展FSO的可能性几乎是无限的。
SWAP – 紧密聚焦光束的另一个重要好处是激光不会像无线电波那样扩散，从而使光信号在很远的距离内保持其强度。更少的光束发散和衰减意味着接收器捕获更多的发射功率，浪费的功率更少。根据美国宇航局的说法，“光通信提供了更小的尺寸、重量和功率要求。更小的尺寸意味着更多的科学仪器空间。更轻的重量意味着更低的发射成本。更少的功率意味着更少的航天器电池消耗。 这些优势延伸到地面设备：激光通信接收器可以比目前的无线电天线小 44 倍。
安全性 – 窄光束也使激光信号极难拦截。此外，空间激光器使用光和光子学，因此量子密钥分发 （QKD） 可以为这些通信增加无与伦比的安全级别。
革命性的新服务
在射频空间通信时代，大多数数据流量严重依赖地球静止（GEO）卫星。这些卫星位于35,786公里（22,236英里）的高度，以保持赤道上方的固定位置，通过确保仅用两三颗卫星覆盖地球表面的很大一部分，从而提供了稳定性和效率。然而，这些GEO卫星体积大且成本高昂，如此长距离的射频传输导致了严重的延迟。
高度为60至2,000公里（99至1,200英里）的替代低地球轨道（LEO）卫星可减少信号传播延迟，但需要更多的LEO卫星（数百或数千颗卫星）根据高度提供连续覆盖。LEO卫星相对于地球上的固定点以每小时约17,000英里的速度移动，这为维护数据通信链路增加了相当大的复杂性。
激光技术显著增强了各种类型卫星系统的功能和经济可行性，开启了新的可能性并扩大了可行的领域。GEO卫星现在可以提供高速、低延迟的通信，与射频系统相比，激光SWAP的根本改进使大型LEO卫星星座的建造和发射更具经济可行性。
联网 LEO 和 GEO
光通信还促进了不同高度的卫星之间的联网，以实现效率并优化专业任务。例如，美国国防空间架构（NDSA）正在开发一种由两个独立星座组成的网络拓扑结构：传输层和跟踪层，通过光链路连接。
传输层是LEO中的弹性网状网络，允许信息在全球范围内快速安全地流动并连接到地面站。网状卫星网络提供弹性，因为如果一颗卫星遭到破坏或破坏，数据可以重新路由。第二个星座，跟踪层，进行遥感和观察，用红外传感器发现和跟踪导弹威胁。
使用激光链路连接LEO和GEO卫星的另一个例子是SpaceDataHighway（SDH），这是欧洲航天局和空中客车公司之间的公私合作伙伴关系。商业服务利用欧洲数据中继系统（EDRS），通过欧洲的EDRS-A和EDRS-C地球静止卫星和地面站进行光通信，为LEO卫星和机载平台提供高带宽能力。
激增的商业卫星星座
Starlink 是由 SpaceX 发起的一个雄心勃勃的项目，在其为全球每个角落提供高速互联网的使命方面取得了显着进展。截至 2023 年 7 月，有 4,487 颗 Starlink 卫星在近地轨道上运行，最新版本的卫星通过激光相互联网。SpaceX预计Starlink网络中的卫星总数最终将增长到12,000至42,000颗之间。
SpaceX创始人埃隆·马斯克（Elon Musk）去年在推特上写道：“轨道上的激光链路可以将长距离延迟降低多达50%，因为真空中的光速更高，路径比海底光纤更短。
Starlink 项目具有开创性和变革性，但并非没有竞争。最大的竞争对手之一是OneWeb，这是一家总部位于英国的公司，该公司还旨在为全球宽带服务建立卫星网络。另一个强大的竞争对手是亚马逊的柯伊伯计划，它计划部署3000多颗卫星用于类似目的。
此外，中国国营航天局也在开发一项名为“天链”的全球宽带服务。这些竞争对手中的每一个都带来了独特的战略和资源，从而为基于卫星的互联网服务日益活跃和竞争激烈的格局做出了贡献。
瞄准窄激光束
所有这些发展都取决于激光的卓越质量——一种非常直和窄的光束，可以聚焦在远处的目标上，以令人难以置信的速度和低延迟传输数据，并且由于光束发散而造成的信号损失最小。
然而，正是激光的狭窄使得在数千公里的距离内获取和维持视线链路变得如此困难。
由于需要极高的精度，并且当主机卫星和航天器在彼此之间以及与地面站的不同方向高速移动时，系统必须快速平稳地进行调整，因此瞄准发射机和接收机具有挑战性。高精度部件必须能够可靠地经受住太空发射的严格要求和恶劣的太空环境。
快速转向后视镜需要精确的位置数据来快速调整后视镜位置，通常由电磁音圈驱动。极其灵敏的传感器可以精确测量镜面位置，分辨率在亚微米范围内极为精细。
该系统的设计使传感器的性能不受空间环境中剧烈温度波动的影响。如图 1 所示，使用涡流技术的电子匹配传感器成对放置在镜子枢轴点的相对两侧，并与该点等距。
传感器与目标的关系是这样的，当目标远离一个传感器时，它同时向另一个传感器移动相等量。两对传感器位于垂直设置的两个轴上，以提供精确的 x-y 倾斜/尖端位置数据。在差模下工作时，传感器消除或减少共模效应，如活塞动作和信号噪声。
着眼于未来
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