一、卫星通信及卫星互联网概述

卫星互联网是终端基于卫星通信技术接入互联网，卫星相当于天上的移动基站进行信号覆盖，从而实现在地面基站无法覆盖的情况下进行实时、快速的响应。卫星主要用途分为通信、导航及遥感三方面，其中导航及遥感市场空间相对较大，虽然目前通信卫星发射数量相对其它两种用途较多，但当前市场体量仍旧较小，随着手机直连卫星使得To C端应用市场开拓、低轨星座频谱稀缺性及重要性逐步提升、单星制造/发射成本逐步降低等因素作用，卫星通信未来市场空间有望呈现较大增长，卫星通信作为卫星互联网的基础技术及支撑，有望迎来快速发展期。

二、卫星互联网一般组成

（三）星间建链的通信技术（续上期内容）

为了实现低轨卫星在空间组网，需要应用星间链路。应用星间链路，可以支持建立全球覆盖的卫星骨干网络，实现空中网络节点的连接和组网，将多颗卫星有机地组合为一个整体，形成星座系统，达到网络优化管理以及连续性服务的目标。通过星间建链组网，可以极大地提升其不依赖于地面系统的独立性，扩充系统通信容量，解决地面测控站星地数传地域局限性问题，从而提升系统的抗毁性、自主性、机动性和灵活性。

卫星的通信方式主要可分为2种：使用电磁波进行通信，以及使用光进行通信。进一步细分，又可分为微波通信、太赫兹通信、激光通信和量子通信。

1.微波通信

星间微波链路具有成本低廉、测距方式灵活、组网灵活方便、跟瞄捕获容易、技术比较成熟、系统可靠性较高等优点，但由于微波通信频段的容量有限，难以满足信息技术高速增加的空间卫星通信需求。同时，由于星际环境复杂多变，微波通信需要申请特定的频段，避免与相邻卫星通信频率重叠，以防止信号干扰。目前微波通信主要用于用户链路和馈电链路。

2.激光通信

卫星激光通信是利用激光作为信号载波，将语音和数据等信息调制到激光上进行传输的方式。区别于微波通信，激光光束在空间中充当信息的传输载体。按照激光传输环境的不同，卫星激光通信分为两类：一是真空环境下的激光通信，即星间激光通信，主要应用于真空环境中的设备，如卫星与卫星、飞船、空间站等之间的通信；二是在大气环境下进行的激光通信，即星地激光通信，这种通信技术应用比较广泛，如用于卫星与地面、海上用户及空中飞行器的连接等。

对比传统基于无线电波的卫星通信，卫星激光通信具有频率更高且方向性更强的特点，因此可以实现更快、更高体量的数据传输，对于日益增长的短报用户入站需求，激光星间链路可大幅提升用户接入数量、用户入站效率和短报文信息回传实时性。其次，星间激光通信不需要向国际电联申请特定频段，使得频道使用更加便捷。此外，卫星激光通信频谱属于不可见光频段，通信时不易被发现，其波束比微波更窄，发散角更小，指向性好，从而使得通信获得很好的抗干扰能力和抗截获能力，提供了更高的安全性和可靠性。最后，星间激光通信具有很高的能量集中度，当需要很高的链路通信速率时，激光通信终端在体积、质量和功耗方面的优势变可以体现，而这也符合当今卫星平台对有效载荷的要求。

激光通信具备高信道吞吐率、高传输带宽、强抗干扰能力、高保密性和安全性等优点。实现激光通信的激光终端同时具备轻量级和高能效的特点，可以较好地支持如今日益增加的数据传输需求，使得激光链路成为实现下一代星间链路颇具前景的手段之一。同时，激光通信终端设备向着更小体积、轻量化和低功耗的方向发展，这也符合卫星平台对有效载荷小型化、轻型化、低能耗的要求。中国的“星网”、“鸿雁”、“虹云”、“行云”以及“天地一体化”星座和国外的“Kuiper”、“TeleSat”、“Starlink”网络等已经将激光星间链路作为其核心传输链路的方式之一，激光通信终端也将在未来航天器载荷中成为标准通信设备，可以预见，星间通信将从电波时代向着激光时代不断发展转变。

图|同轨星间激光通信示意图

三、卫星激光通信终端概述

公司的卫星激光通信终端包括激光收发系统、捕获跟踪瞄准（ATP）系统、光学系统、主控分系统等组成部分。

其中，ATP系统被称为前端，一般是独立的光学镜头；其余部分被称为后端，可独立设计，或作为模块进一步与载荷、甚至整星进行组合设计。

图|激光通信终端结构

1.激光收发系统

调制器、激光器、光学发射天线以及准直系统等共同组成激光发射系统；激光接收系统包括探测器、光滤波器、解调器和光学接收天线等。在激光发射系统中，由于半导体激光器发出的光束质量较差，通常要对光束进行整形和压缩，要求经过处理的光束近似服从高斯分布，压缩后的光束在微弧度量级。传输链路在空间的损耗大小决定了激光光源功率和发射端的天线增益。激光接收端机的主要功能是收集来自目标卫星发射过来的光束，利用分色镜从这些光束中分离出信标光和信号光，分离后的信标光经过光学系统入射到粗跟踪探测器；而信号光经过滤波和聚焦后入射到光探测器上，经由光探测器将光信号转为电信号，再经过信号处理后恢复出所需要的通讯信息或捕获跟踪信息。目前我国星载激光通信系统中，多选用1550nm波段作为光源（单独的信标光800nm波段已经不再保留，信标光和通信光已合一）。

2.捕获跟踪瞄准（ATP）系统

捕获跟踪瞄准系统是用于建立和保持星地通信链路的关键系统，主要包括粗跟踪机构、精跟踪机构和预瞄准机构。在捕获阶段，粗跟踪系统处于开环状态，根据星历或卫星的运动轨迹将望远镜定位到对方终端的方向，以便捕获到信标光信号。在接收到信标光以后，粗跟踪系统会根据目标与探测器中心的脱靶量进行闭环控制，执行器件为电机。当系统光轴处于精跟踪视场范围时，系统进入精跟踪阶段，在此阶段根据精跟踪探测器反馈的误差信号控制快反镜，使误差达到通信要求的精度，一般精跟踪精度为几微弧度。预瞄准机构的作用是补偿通信双方在不同的轨道运转而引起的相对运动误差。由于激光光束的束散角很小，因此预瞄准机构十分重要。

捕获跟踪瞄准（ATP）系统是目前整个激光通信终端中公认技术壁垒最高的环节。

（1）工作环节

ATP系统包括初始指向、目标捕获、稳定跟踪3大阶段，具体包括六个环节：

1)开环指向：主动端、被动端激光终端均根据链路卫星星历（卫星的轨道的计算值）和本地卫星平台的姿态信息计算出跟踪指向引导数据，控制光学天线视轴以数字引导跟踪方式实现对对方终端的开环指向跟踪。

2)主动端扫描：主动端激光终端按照扫描策略，控制光学天线视轴在设置的捕获不确定区域内扫描，并在扫描路径的每个点上通过抖动扫描形成一个等效宽波束信号光，降低平台微振动引起的漏扫概率。

3)被动端捕获：被动端激光终端信号光捕获探测器探测到主动端激光终端的信号光后，根据信号光探测角误差和超前瞄准角值，调整视轴跟踪瞄准主动端。

4)主动端捕获：主动端激光终端信号光捕获探测器探测到被动端激光终端的信号光后，停止扫描，根据信号光探测角误差和超前瞄准角值，调整视轴指向，跟踪瞄准被动端。

5)双端捕获：双方均捕获到对方信号光后，均根据信号光捕获探测器反馈的信号光探测角度误差实时调整视轴指向，进入稳定双端捕获状态。

6)稳定跟踪：双方根据信号光捕获探测器输出的角误差将目标引入相干跟踪探测器视场，完成捕获状态向跟踪状态的切换，并根据平衡探测器是否探测到光信号进行跟踪点校正，建立稳定跟踪。稳定跟踪后，双方均关闭信号光强度调制，开启信号光相位调制，按通信速率要求向对方发射固定数据的调制信号光。

（2）系统构造

ATP系统是一种复合控制系统结构，包含瞄准机构、控制及传感系统三个主要部分。瞄准机构进一步可以划分为粗瞄准（CPA）、精瞄准（FPA）及预瞄准（PPA）机构。

CPA多数情况下为摆镜，用以修正初始瞄准指向偏差和光束的慢速漂移，由于摆镜位于终端望远镜前端，镜面尺寸大。通过CT sensor提供位置反馈。

FPA多为高分辨率的精跟探测器，由FT sensor提供位置反馈，从而实现高精度快速跟瞄。

PPA：预瞄准单元主要用于对相对距离较远的两个卫星平台之间由于相对运动而产生的角偏差进行预先补偿。

图|ATP系统工作原理

3.光学系统

光学系统是通信终端的重要系统，光学系统负责准直激光发射的信标光和信号光光束并将其发向其他终端。光学系统还负责接收目标终端发射过来的信号光和信标光光束。光学系统的任务是能够快速建立通信链路并且有效地进行通信。在设计光学系统时，需考虑对空间环境复杂的适应性；尽量满足体积小、质量轻的要求以及大气因素考虑并减小其影响。

4.主控系统

主要负责整个终端的供电、系统管理等。