一、衛星通信及衛星互聯網概述

衛星互聯網是終端基于衛星通信技術接入互聯網，衛星相當于天上的移動基站進行信號覆蓋，從而實現在地面基站無法覆蓋的情況下進行實時、快速的響應。衛星主要用途分為通信、導航及遙感三方面，其中導航及遙感市場空間相對較大，雖然目前通信衛星發射數量相對其它兩種用途較多，但當前市場體量仍舊較小，隨著手機直連衛星使得To C端應用市場開拓、低軌星座頻譜稀缺性及重要性逐步提升、單星制造/發射成本逐步降低等因素作用，衛星通信未來市場空間有望呈現較大增長，衛星通信作為衛星互聯網的基礎技術及支撐，有望迎來快速發展期。

二、衛星互聯網一般組成

（三）星間建鏈的通信技術（續上期內容）

為了實現低軌衛星在空間組網，需要應用星間鏈路。應用星間鏈路，可以支持建立全球覆蓋的衛星骨干網絡，實現空中網絡節點的連接和組網，將多顆衛星有機地組合為一個整體，形成星座系統，達到網絡優化管理以及連續性服務的目標。通過星間建鏈組網，可以極大地提升其不依賴于地面系統的獨立性，擴充系統通信容量，解決地面測控站星地數傳地域局限性問題，從而提升系統的抗毀性、自主性、機動性和靈活性。

衛星的通信方式主要可分為2種：使用電磁波進行通信，以及使用光進行通信。進一步細分，又可分為微波通信、太赫茲通信、激光通信和量子通信。

1.微波通信

星間微波鏈路具有成本低廉、測距方式靈活、組網靈活方便、跟瞄捕獲容易、技術比較成熟、系統可靠性較高等優點，但由于微波通信頻段的容量有限，難以滿足信息技術高速增加的空間衛星通信需求。同時，由于星際環境復雜多變，微波通信需要申請特定的頻段，避免與相鄰衛星通信頻率重疊，以防止信號干擾。目前微波通信主要用于用戶鏈路和饋電鏈路。

2.激光通信

衛星激光通信是利用激光作為信號載波，將語音和數據等信息調制到激光上進行傳輸的方式。區別于微波通信，激光光束在空間中充當信息的傳輸載體。按照激光傳輸環境的不同，衛星激光通信分為兩類：一是真空環境下的激光通信，即星間激光通信，主要應用于真空環境中的設備，如衛星與衛星、飛船、空間站等之間的通信；二是在大氣環境下進行的激光通信，即星地激光通信，這種通信技術應用比較廣泛，如用于衛星與地面、海上用戶及空中飛行器的連接等。

對比傳統基于無線電波的衛星通信，衛星激光通信具有頻率更高且方向性更強的特點，因此可以實現更快、更高體量的數據傳輸，對于日益增長的短報用戶入站需求，激光星間鏈路可大幅提升用戶接入數量、用戶入站效率和短報文信息回傳實時性。其次，星間激光通信不需要向國際電聯申請特定頻段，使得頻道使用更加便捷。此外，衛星激光通信頻譜屬于不可見光頻段，通信時不易被發現，其波束比微波更窄，發散角更小，指向性好，從而使得通信獲得很好的抗干擾能力和抗截獲能力，提供了更高的安全性和可靠性。最后，星間激光通信具有很高的能量集中度，當需要很高的鏈路通信速率時，激光通信終端在體積、質量和功耗方面的優勢變可以體現，而這也符合當今衛星平臺對有效載荷的要求。

激光通信具備高信道吞吐率、高傳輸帶寬、強抗干擾能力、高保密性和安全性等優點。實現激光通信的激光終端同時具備輕量級和高能效的特點，可以較好地支持如今日益增加的數據傳輸需求，使得激光鏈路成為實現下一代星間鏈路頗具前景的手段之一。同時，激光通信終端設備向著更小體積、輕量化和低功耗的方向發展，這也符合衛星平臺對有效載荷小型化、輕型化、低能耗的要求。中國的“星網”、“鴻雁”、“虹云”、“行云”以及“天地一體化”星座和國外的“Kuiper”、“TeleSat”、“Starlink”網絡等已經將激光星間鏈路作為其核心傳輸鏈路的方式之一，激光通信終端也將在未來航天器載荷中成為標準通信設備，可以預見，星間通信將從電波時代向著激光時代不斷發展轉變。

圖|同軌星間激光通信示意圖

三、衛星激光通信終端概述

公司的衛星激光通信終端包括激光收發系統、捕獲跟蹤瞄準（ATP）系統、光學系統、主控分系統等組成部分。

其中，ATP系統被稱為前端，一般是獨立的光學鏡頭；其余部分被稱為后端，可獨立設計，或作為模塊進一步與載荷、甚至整星進行組合設計。

圖|激光通信終端結構

1.激光收發系統

調制器、激光器、光學發射天線以及準直系統等共同組成激光發射系統；激光接收系統包括探測器、光濾波器、解調器和光學接收天線等。在激光發射系統中，由于半導體激光器發出的光束質量較差，通常要對光束進行整形和壓縮，要求經過處理的光束近似服從高斯分布，壓縮后的光束在微弧度量級。傳輸鏈路在空間的損耗大小決定了激光光源功率和發射端的天線增益。激光接收端機的主要功能是收集來自目標衛星發射過來的光束，利用分色鏡從這些光束中分離出信標光和信號光，分離后的信標光經過光學系統入射到粗跟蹤探測器；而信號光經過濾波和聚焦后入射到光探測器上，經由光探測器將光信號轉為電信號，再經過信號處理后恢復出所需要的通訊信息或捕獲跟蹤信息。目前我國星載激光通信系統中，多選用1550nm波段作為光源（單獨的信標光800nm波段已經不再保留，信標光和通信光已合一）。

2.捕獲跟蹤瞄準（ATP）系統

捕獲跟蹤瞄準系統是用于建立和保持星地通信鏈路的關鍵系統，主要包括粗跟蹤機構、精跟蹤機構和預瞄準機構。在捕獲階段，粗跟蹤系統處于開環狀態，根據星歷或衛星的運動軌跡將望遠鏡定位到對方終端的方向，以便捕獲到信標光信號。在接收到信標光以后，粗跟蹤系統會根據目標與探測器中心的脫靶量進行閉環控制，執行器件為電機。當系統光軸處于精跟蹤視場范圍時，系統進入精跟蹤階段，在此階段根據精跟蹤探測器反饋的誤差信號控制快反鏡，使誤差達到通信要求的精度，一般精跟蹤精度為幾微弧度。預瞄準機構的作用是補償通信雙方在不同的軌道運轉而引起的相對運動誤差。由于激光光束的束散角很小，因此預瞄準機構十分重要。

捕獲跟蹤瞄準（ATP）系統是目前整個激光通信終端中公認技術壁壘最高的環節。

（1）工作環節

ATP系統包括初始指向、目標捕獲、穩定跟蹤3大階段，具體包括六個環節：

1)開環指向：主動端、被動端激光終端均根據鏈路衛星星歷（衛星的軌道的計算值）和本地衛星平臺的姿態信息計算出跟蹤指向引導數據，控制光學天線視軸以數字引導跟蹤方式實現對對方終端的開環指向跟蹤。

2)主動端掃描：主動端激光終端按照掃描策略，控制光學天線視軸在設置的捕獲不確定區域內掃描，并在掃描路徑的每個點上通過抖動掃描形成一個等效寬波束信號光，降低平臺微振動引起的漏掃概率。

3)被動端捕獲：被動端激光終端信號光捕獲探測器探測到主動端激光終端的信號光后，根據信號光探測角誤差和超前瞄準角值，調整視軸跟蹤瞄準主動端。

4)主動端捕獲：主動端激光終端信號光捕獲探測器探測到被動端激光終端的信號光后，停止掃描，根據信號光探測角誤差和超前瞄準角值，調整視軸指向，跟蹤瞄準被動端。

5)雙端捕獲：雙方均捕獲到對方信號光后，均根據信號光捕獲探測器反饋的信號光探測角度誤差實時調整視軸指向，進入穩定雙端捕獲狀態。

6)穩定跟蹤：雙方根據信號光捕獲探測器輸出的角誤差將目標引入相干跟蹤探測器視場，完成捕獲狀態向跟蹤狀態的切換，并根據平衡探測器是否探測到光信號進行跟蹤點校正，建立穩定跟蹤。穩定跟蹤后，雙方均關閉信號光強度調制，開啟信號光相位調制，按通信速率要求向對方發射固定數據的調制信號光。

（2）系統構造

ATP系統是一種復合控制系統結構，包含瞄準機構、控制及傳感系統三個主要部分。瞄準機構進一步可以劃分為粗瞄準（CPA）、精瞄準（FPA）及預瞄準（PPA）機構。

CPA多數情況下為擺鏡，用以修正初始瞄準指向偏差和光束的慢速漂移，由于擺鏡位于終端望遠鏡前端，鏡面尺寸大。通過CT sensor提供位置反饋。

FPA多為高分辨率的精跟探測器，由FT sensor提供位置反饋，從而實現高精度快速跟瞄。

PPA：預瞄準單元主要用于對相對距離較遠的兩個衛星平臺之間由于相對運動而產生的角偏差進行預先補償。

圖|ATP系統工作原理

3.光學系統

光學系統是通信終端的重要系統，光學系統負責準直激光發射的信標光和信號光光束并將其發向其他終端。光學系統還負責接收目標終端發射過來的信號光和信標光光束。光學系統的任務是能夠快速建立通信鏈路并且有效地進行通信。在設計光學系統時，需考慮對空間環境復雜的適應性；盡量滿足體積小、質量輕的要求以及大氣因素考慮并減小其影響。

4.主控系統

主要負責整個終端的供電、系統管理等。