激光通信的技术趋势及应用前景分析

本翼资本·2021-06-21
据测算,到2027年中国“GW”激光载荷市场规模将达约800亿。

一、激光通信的技术发展趋势

1.1 激光通信的技术优势及瓶颈

1.1.1 激光通信以其高带宽、高安全性以及设备体积小等优势有望成为发展主流

激光通信的通信容量大,也即是传输速率更快。激光的频率比微波要高许多,作为通信的载波有更宽的利用频带。目前无线激光通信工作频段主要在365~326THz(对应波长范围光波长范围多在820nm~920nm),设备间无射频信号干扰。

从现有技术来说,光波作为信息载体可传输达10Gbit/s的数据码率,采用名为波分复用技术的方法还能进一步提高(将两种或多种不同波长的光载波信号在发送端经复用器汇合在一起,传输后在接收端经分波器将各种波长的光载波进行分离并恢复信号)。

激光通信的可靠性高,且保密性好。激光作为光源的发散角很小,能量集中在很窄的光束中。这意味着和邻近卫星间的通信干扰将会减小,避免了相互影响冲突,稳定性增强,也就是所谓的可靠性高。而且这样的光束具有高度的定向性,纤细而集中的发射波束指向接收机,可有效的提高抗干扰、防窃听的能力,除非其通信链路被截断,否则数据不易外泄,保密性好。

激光通信技术结合了无线电通信和光纤通信的优点,以激光为载波进行通信。激光通信技术具有抗干扰能力强、安全性高、通信速率高、传输速度快、波段选择方便及信息容量大的优势,其特点是系统体积小、重量轻、功耗低、施工简单、灵活机动,在军事和民用领域均有重大的战略需求与应用价值。

激光通信相关的设备体积小、质量轻、功耗低。激光的光束集中且携带信息量大,激光通信的能量利用率高,落在接收机望远镜天线上的功率密度高,发射机的功耗低,发射功率也可大大降低,所以发射设备及其供电系统可以做的体积更小、重量更轻,更加便于卫星等空间探测器携带。

另一方面,激光的波长短、穿透力强,方向性好且能量集中,这些优点也使得接收望远镜口径可以减小,摆脱了无线电波通信系统巨大的碟形天线,接收系统也可以做的体积更小、重量更轻。这些也使得激光通信相关系统、设备的建造和维护费用相对低廉。

表一:各种通信方式特点对比 

(资料来源:公开资料,本翼资本整理) 

1.1.2 激光通信光束易发散且易受大气条件影响

窄波束的激光在长距离的传播后会产生发散也是不可避免的。所以在越远的地方看到光源的亮度就越暗淡。

激光传输深受大气吸收和散射、大气湍流、以及背景光等因素的影响,其可靠性受到一定的挑战。影响星地激光通信的主要因素有大气吸收及散射、大气湍流、背景光、云雾雨等,如图1所示。大气对激光的吸收主要是由于大气分子和特定波长的激光相互作用产生的,大气对激光的散射也与波长相关,可以由比尔-朗伯(Beer-Lambert)定律描述;大气湍流是由于大气温度和压强的变化产生的,会使信号的强度和相位重新分布,也即波前畸变,通常采用伽玛-伽玛(Gamma-Gamma)分布或者更为精确的双参数威布尔(Weibull)分布来描述;背景光的影响来自于太阳、其他恒星、及散射光等;云雾雨主要从吸收和散射的角度来影响激光通信。针对上述各类因素,世界各国开展了理论研究,并进行了多类地面演示试验。

图一:影响星地激光链路的主要因素

(资料来源:公众号“卫星与网络”,本翼资本整理)

1.2 激光通信的主要技术

随着激光、光学和光电子元器件技术的发展进步,激光通信技术不断取得突破。按照系统功能划分,激光通信技术主要分为捕获跟踪、通信收发、大气补偿、光机电设计以及系留气球和平流层飞艇6类技术。 

1.2.1 捕捉跟踪技术

激光通信技术借助光源的小发散角波束提供高功率增益,这对光束的捕获跟踪提出了比微波通信更高的要求。实现快速、大概率、大范围的光束捕获和稳定的高带宽、高精度光束跟踪是激光通信瞄准、捕获、跟踪技术研究的核心目标。其中,光束捕获采用激光瞄准技术和粗/精跟踪相独立的体制,即粗跟踪由大视场相机和伺服转台组成闭环,提供大范围低频带伺服控制;精跟踪由高帧频相机和快速振镜组成闭环,提供小范围高频带伺服控制,从而有效抑制因光束大范围运动和高频率抖动引起的光束扰动。

随着激光技术的进步,受益于激光光束智能变换、激光相控阵等新技术的逐渐发展成熟,将其应用于激光通信技术的捕获、瞄准、跟踪系统中,使传统跟瞄模式发生改变,可提高空间光通信系统的跟瞄精度、速度和可靠性。同时,小型高效率激光器的出现也使跟瞄系统向小型化、轻型化和集成化发展。另外,可采用粗精复合高精度跟踪,通过激光光束智能变换,在保证跟踪性能的前提下,简化激光通信跟瞄系统。

1.2.2 通信收发技术

激光通信技术需要激光器具有大调制带宽、高发射功率和窄线宽等特点。具体来看,激光调制技术的调制方式可以分为直接调制和间接调制,由于直接调制方式使带宽和发射功率受限,目前主要采用小功率种子激光源间接调制后通过高功率光纤放大器获得高发射功率的方法进行调制;根据作用光束的参数不同(如强度、频率、相位等),可分为调幅、调频和调相等不同调制方式,由于不同波长系统相应器件的差异,调制方式也有所差别。目前激光通信技术采用的激光波长主要有800nm、1000nm和1550nm3个波段,其中800nm波段的半导体激光器一般利用强度调制/直接检测(IM/DD),1000nm波段的Nd:YAG固体激光器可采用各种调制方式,而1550nm波段的半导体激光器与光纤通信系统兼容,可采用多种高速调制方式并利用掺铒光纤放大器实现高速、高功率发射。

激光通信接收机的高速探测器均由光纤耦合以适应高速探测器的小探测截面,并有利于系统集成化。因此,激光到光纤的耦合是激光通信接收部分的关键技术之一,其中对光纤高效率耦合主要受模式匹配、对准偏差、菲涅尔反射、吸收损耗、平台振动等影响。现有的光纤耦合方法主要采用的是光学自适应、锥形光纤、光纤章动等,尚未出现实质性突破,光纤高效耦合技术仍是当前激光通信系统的主要难题之一。

1.2.3 大气补偿技术

当空间激光通信技术应用在星地、空空和空地等链路时,激光在穿越大气层的过程中受大气湍流影响,在传输时会出现接收功率抖动,导致系统出现误码,这在高速激光通信中更加明显。为解决这一问题,采用高精度实时波前畸变校正技术是抑制大气湍流对传输光束波前影响的有效方法,即通过哈特曼传感器进行多孔径波面探测,在一定程度上能够矫正波前畸变。但该技术的主要难点在于激光到达角起伏补偿、波面变形补偿和空中飞行时附面层影响补偿,可通过探测系统引入波前畸变补偿镜技术进行联合校正。

近年来有关大气信道的研究成果颇丰。例如,2018年开展的基于部分相干载波的大气高速传输研究,由有源锁模光纤激光器泵浦色散位移光纤而产生的超连续谱光源作为部分相干高速载波,在1km大气湍流信道中,相比于相干光源,采用部分相干光载波源能有效抑制大气湍流造成的光强闪烁。而后,证明了可将全光时分复用(OTDM)技术应用在部分相干光通信系统中以提升传输速率,最高速率达到了16Gb/s。

1.2.4 光机电设计技术

为减小自由空间的功率损耗,提高发射光学系统增益,需要通信光束以近衍射极限角发射。在保证发射光学口径的基础上,提高光束发射增益对光纤耦合技术、光束整形技术、望远镜面型设计提出了更严格的要求。为突破近衍射极限角发射的关键技术、发射激光源的整形准直技术和高效率光纤耦合技术,亟需通过激光技术的发展,研究光纤不同芯径、束散角与光学系统匹配的优化选取方法。

对于光学基台技术,要求对光学系统进行模块化、轻量化设计,且能满足未来空间激光通信网络一点对多点动中通同时传输。与此同时,激光技术的广泛应用促成了多行业的标准化,如基于激光技术的激光整形传输促成了元件的模块化和标准化,降低了整机体积与成本。

1.2.5 系留气球中继技术

系留气球是一种通过缆绳固定于地面,靠气囊内的浮升气体获得浮力的浮空器。其特点是可以在空中特定范围内实现定高、长时间驻留,具备搭载各种通信、侦察和探测等电子设备实现相应任务功能的能力。

图二:系留气球中继技术

(资料来源:基于浮空平台的天地一体化网络激光中继设计,本翼资本整理)

该中继方案能够充分利用系留气球平台成本低,使用维护简便的优点,适合在短时间内进行大规模部署,以快速实现广域的高速数据服务覆盖。同时,系留气球通过光纤与地理骨干节点之间直接建立高可靠的有线通信链路,有效克服了无线通信链路在低层大气环境中不够稳定可靠的缺点。但是由于系留气球仍工作在对流层,其激光中继受大气内天气现象的影响不能完全消除,且单个气球由于通过线缆固定于地面,不具备机动能力,使用场景也受到了一定程度的限制。

1.2.6 平流层飞艇中继技术

平流层飞艇是一种通过浮生气体产生浮力,并带有推进系统,可连续在特定区域驻留的浮空平台。相对于系留气球平台,平流层飞艇除了能够长期定点悬停工作外,其最大特点在于还能够跨区域进行大范围机动,能够实现广域覆盖。

图三:平流层飞艇气球中继技术

(资料来源:基于浮空平台的天地一体化网络激光中继设计,本翼资本整理)

平流层飞艇携带激光通信终端、微波通信设备工作在平流层底层,通过转化成多路微波信号克服低空复杂气象条件的影响,可完全克服低空复杂气象条件干扰,长时可靠工作。在飞艇上部署激光通信终端,飞艇与卫星之间通过空间激光链路进行数据传输,飞艇与地面之间通过微波链路进行数据传输与分发。本方案充分结合激光高速传输能力,以及微波大气穿透性强的特点,实现天地数据的高速高可靠中继。

相对于系留气球平台,平流层飞艇工作在对流层之上,与天基骨干网之间的激光链路更为稳定可靠,且平台本身具备大范围机动的能力,能够实现长时间的广域覆盖。平流层飞艇的主要缺点在于成本较高,保障维护较为困难,在未来的天地一体化网络建设中,需要根据实际场景需求,对两种中继平台进行合适的选择。

1.3 激光通信技术的发展趋势

激光通信的技术趋势就是向高速率、网络化、多用途以及一体化发展。

1.3.1 高速率

随着空间激光通信高速调制解调和传输技术的快速发展,未来星地激光通信链路速率有望达到100Gb/s量级。高速激光通信采用高阶调制方式如正交相移键控(QPSK)、正交振幅调制(QAM)和复用方式如波分复用(WDM)、时分复用(TDM)、轨道角动量复用(OAM),短距离(<1km)速率可达Tb/s量级。

1.3.2 网络化

随着全球化和信息技术的发展,亟需建设具有不依托地面网络、无缝覆盖全球、高带宽和抗毁性能的空间网络。因此,依托空间激光通信技术实现的天基宽带传送网络是今后发展的重要趋势。

空间激光通信技术逐渐从点对点模式向中继转发和构建激光网络的方向发展。由于激光网络建设的主要难点在于激光发散角小、光信号动态接入以及受空间环境影响大等,因此构建激光通信网络时,需突破“一对多”的激光通信技术难题、研究动态路由解决接入方案、寻求激光通信和微波联合通信体制。长春理工大学提出的采用旋转抛物面结构设计一点对多点光学收发天线,实现多颗卫星间激光通信组网,光学原理简单,是探索解决这一难点的重大突破。

1.3.3 多用途

随着空间激光通信技术的逐渐成熟,空间激光通信的高调制速率、远传输距离和低能耗的优点逐渐凸显。目前,空间激光通信技术已广泛应用于星间、星空、空空、空地等链路的宽带数据传输,并逐渐向深空探测、水下和地面接入通信扩展,用途越来越广。

深空探测是人类对月球、远距离天体或空间开展的探测活动,是了解太阳系及宇宙,揭示宇宙起源与演变,拓展人类生存空间的必然选择。月球探测工程的实施拉开了我国深空探测的序幕,随后又实施了火星探测工程。水下无线光通信作为一种新兴通信技术,具有容量大、带宽高、保密性好、抗干扰能力强等优势,已成为世界大国竞相发展的一项重要通信技术。利用可见光进行数据通信的无线光传输技术兼具照明、通信和控制定位等功能,易与现有基础照明设施相融合,且符合国家节能减排的战略思想,逐渐成为未来智能时代超高速泛在光联网的主要宽带传输方法。另外,在一些无法铺设光缆的特殊应用场合,如海岛之间、城市楼宇间、野外复杂环境等,空间激光通信技术可起到光纤通信技术所无法替代的作用。

1.3.4 一体化

由于激光在高速通信和精密测距方面具有优势,近年来激光测距与通信一体化技术越来越受到重视。激光测距与通信一体化设计是以高速通信为主,兼顾精密测距,使用同一束激光和硬件平台实现测距和信息传输,进而实现同一套设备完成测距和通信的双重功能。2013年NASA的LLCD系统已经成功实施月地高速激光通信与高精度测距的在轨演示验证,测距精度达到3cm;2014年,北京遥测技术研究所完成了基于相干通信的测距和高速通信一体化的设计;2015年,长春理工大学提出了空间目标测距、成像、通信一体化方案,其中激光通信信标光发射/接收和激光测距光发射/接收共用一个光学天线。

此外,激光和微波通信技术的融合,也是目前学术研究的热点,主要包括激光与微波收发融合、数据处理融合、微波信号的激光调制和产生等。目前,微波光子技术逐渐发展成熟,并已应用于雷达信号的激光传输和处理,未来该技术也将在激光与微波融合通信系统中应用。激光/微波混合传输的主要思想是通过在激光链路连接的两个节点间建立额外的微波链路,在天气恶劣的条件下使用微波链路进行辅助传输来保障节点间通信不间断。2006年,美国宾夕法尼亚州立大学的科学家进行了空载激光/微波混合传输的评估研究。研究发现激光链路受云层影响较大,主要是由于云颗粒带来的衰减及散射,但当微波链路引入后可以大幅提升整体链路的可用度。

通常的激光/微波混合传输方式为激光链路可以通时采用激光传输,无法通时改为微波链路进行数据传输。该种方法不仅不能有效利用整体信道带宽,在激光和微波链路进行切换的过程中也容易带来不必要的传输中断。2009年弗吉尼亚大学的科学家提出了一种符号率自适应联合编码方案,使得微波链路和激光链路同时高效工作。2010年马萨诸塞大学的科学家提出了混合信道码,通过利用非均匀码及速率兼容LDPC码,在提升通信容量的同时达到了电信级的可靠性(99.999%)。

二、激光通信的应用前景

2.1 现状——由于激光在大气中传输的技术尚未成熟,目前激光通信主要在星间应用

激光通信技术的主要应用场景有星间、星空、星地、空空、空地与地地这六大激光通信,并逐渐向深空探测、水下通信扩展,用途越来越广。由于激光通信链路具有通信速率高、方向性强、保密性好、组网灵活以及终端体积小、重量轻、功耗低等特点,而且在大气中尚未突破技术瓶颈,所以目前在星间大量使用。

星链计划计划发射42000颗卫星,现已基本完成第一轨道层的组建工作。但星链计划过去对激光通信不是很感兴趣,只有几十颗卫星装备了激光链路,但是国外的技术积累更多,而且激光通信优点很多,是大趋势,马斯克也发文称2022年发射的所有starlink卫星都将配备激光星间链路。。

2017年,我国新一代高轨技术试验卫星实践十三号搭载的激光通信终端,成功进行了国际首次高轨卫星对地高速激光双向通信试验。LaserFleet为「行云二号」01星(武汉号)和「行云二号」02星研制的低轨物联网星间激光通信载荷技术得到成功验证,实现了建链流程完整、遥测状态稳定的双向通信。我国卫星物联网星座实现了星间激光通信零的突破。

2.2 发展趋势——激光星间链路仍为主要应用场景,星地链路有望突破

2.2.1 星间激光链路是激光通信的主要应用场景

随着社会的发展和科技的进步,人们对空间资源的利用需求日益增加,许多国家和机构都提出了自己的空间计划,其中比较知名的包括已经建成的铱星、先进极高频(AEHF)等空间组网的卫星通信系统,以及一网(OneWeb)、星链(Starlink)等低轨互联网卫星星座。为了维护国家安全与促进国民经济,我国也提出了构建天地一体化信息网络的计划,并取得了一系列的研究成果。

由于中美科技战,中国5g技术被卡脖子,中美都要在6g的研发应用上大力发展,美国SpaceX计划发射四万多颗卫星形成空间互联网;英国政府也收购了一网;加拿大政府为telesat提供政策和财政支持。中国对空间互联网也非常重视和支持,提出了GW计划。

 图四:星间激光通信示意图

(资料来源:公开资料,本翼资本整理)

(1)低轨道卫星发展前景广大,助力激光通信扩大市场

卫星根据轨道高度的不同呈现不同的特点。按照轨道高度,卫星主要分为低、中、高轨三大类。从细分来看,卫星可分为低轨道卫星(LEO)、中轨道卫星(MEO)、地球同步轨道卫星(GEO)、太阳同步轨道卫星(S)和倾斜地球轨道卫星(IGSO)。其中,低轨卫星拥有传输时延小、链路损耗低、发射灵活等优势,非常适合卫星互联网业务的发展。

表二:卫星根据轨道高度分类呈现不同的特点

(资料来源:公开资料,本翼资本整理) 

以往,通信卫星主要停留在地球同步轨道。该轨道运行周期等于地球自转周期,不考虑轨道摄动时,在地球同步轨道上运行的卫星每天相同时刻经过地球上相同地点的上空,对地面观测者而言,每天相同时刻卫星出现在相同的方向上,这样它们相对于地面基站来说就是稳定的,能够确保提供连续服务,并且轨道高度高,覆盖范围也广。但地球同步轨道卫星由于轨道资源有限,只能在一个拥挤的环境下工作。随着地球同步轨道卫星的增多,这条轨道已经变得越来越拥挤。(注:两颗卫星之间必须保持1000公里以上的距离,以避免出现碰撞和干扰)。而且地球同步轨道卫星的时延大,一般为500ms,新兴低轨通信星座大都能够实现50ms以内的时延,且低轨卫星观测清晰传输快,成本也较其他卫星更低,发射选择更多样,所以低轨卫星在卫星互联网的建设中尤为重要。

2019年和2020年全球共发射2370颗卫星,其中1929颗都是低轨道卫星,卫星距离地面越近越能够提高载光学传感器的分辨率、辐射性能和地理空间精度,还可以减少卫星所需的有效载荷大小,从而降低卫星运行成本。这也是星链在300多km轨道上布局7000多颗卫星的原因(见表4)。

表三:2019-2020年卫星发射统计表

(资料来源:航天爱好者网,本翼资本整理) 

(2)低轨卫星互联网建设具有紧迫性,主要在与轨道和频谱资源的争夺

① 低轨轨道资源未来会面临短缺。根据测算,地球的近地轨道总共只能容纳大约6万颗卫星。Starlink目前已经规划了4.2万颗卫星,未来将占用大量的地球极低轨道和近地轨道。Oneweb虽3月已申请破产,但仍向美国联邦通信委员会(FCC)申请了近4.8万颗卫星,地球近低轨道已经不堪重负。且在FCC的规则中,拿到卫星许可证的厂商,需要在6年时间发射50%的获得许可卫星,9年时间发射全部卫星,除非得到豁免,两家公司的发射压力也十分巨大。

表四:国际主要星座计划

(资料来源:公开资料,本翼资本整理) 

②频谱争夺:由于信号在不同频段传播损耗不同,因此选择合适的信号传输频率非常重要。根据国际电信联盟制定的《无线电规则》,对信号频率的占用采用“先到先得”的原则。通常在卫星信号传输中,0.3-10GHz频段,损耗最低,30GHz频段附近,损耗也相对较小。

表五:卫星频段表

(资料来源:公开资料,本翼资本整理) 

C频段使用比较早,多用于地球静止轨道上的卫星通信,频率低,增益低,但是抗干扰能力强,比较适合对通信质量有严格要求的业务,比如电视、广播数据传输。目前C频段已经饱和。

Ku频段,频率高,增益高,天线尺寸要求比较小,方便小型地面接收设备使用,是卫星通信的黄金频段,目前可用频段资源也相对枯竭。

Ka频段,相对Ku波段来说,雨衰会更大,但频率更高,可用频段带宽也更大,适合高速卫星通信,当然,对信号接收器件的要求也更高。由于C频段和Ku频段资源日渐枯竭,所以Ka频段近十年来发展非常迅速。而且Ka频段在军事方面应用也非常广泛。

(3)星链计划与中国国网计划对比

SpaceX公司已经获得约12000颗卫星的发射许可,又提出申请要发射30000颗卫星。截至2021年5月27日,星链成功发射了第28批1.0版星链,星链星座第一个轨道层已经完成,达到1628颗卫星。这个轨道层高度为550公里,倾角53°,由72个平面组成,总计需求1584颗卫星(最先计划为1440颗)。第一个轨道层卫星完成后,将可以实现覆盖南北纬52°区间区域,占全球表面积的约80%。

表六:星链计划卫星规划

(资料来源:公开资料,本翼资本整理) 

星链成功组网后,可以实时监测全世界范围的情况,中国组建自己的卫星互联网迫在眉睫。出于轨道与频谱争夺以及国家安全的考虑,中国“GW”在2020年9月份向国际电信联盟(ITU)递交了频谱分配档案。档案中曝光了两个名为GW-A59和GW-2的宽带星座计划,其计划发射的卫星总数量达到12992颗。根据国际电信联盟(ITU)公开的资料信息,“GW”星座的申请被正式接收的日期是2020年11月9日。

“GW”星座总共包含2个子星座,轨道高度也分为两组(见下表)。GW-A59子星座的卫星分布在500km左右的极低轨道,GW-2子星座的卫星分布在1145km的近地轨道。两组卫星的轨道倾角分布在30°-85°之间。

表七:中国GW卫星星座计划

(资料来源:公开资料,本翼资本整理) 

通过"GW"星座与Starlink的规划可以看出,他们有很多相似的地方。两者卫星数量都非常惊人,轨道高度都分为两组,一组极低轨道,和一组近地轨道,轨道倾角也都分布在30-85°之间,两者都是可以覆盖全球的卫星通信网络。

SpaceX的“星链”所占用的频率就主要分布在Ku、Ka这两个黄金频段上。“GW”的这几个传输频段,分别分布在Ka频段和V频段上,是目前能申请到的相对较好的频段,不过相对于SpaceX所占用的Ku和Ka频段,还是有些吃亏。不过V频段,由于具有更高的频率,将有利于发展更高的网络带宽,也许也有这方面的考虑。根据国际电信联盟的规则,申请了相关频率的单位,必须在7年内完成卫星发射和信号验证,才能真正拥有该频率的使用权。所以“GW”星座必须在2027年11月9日之前完成以上工作。

综上,我国几年内还将以“国家队”为主布局低轨卫星互联网,也受轨道和频谱的资源限制,近地轨道只能容纳约6万的卫星,现已基本规划成型。星链计划和我国的“GW”星座都预计最晚2027年完成计划,可以预测届时地球近地轨道将有约6万颗卫星。

(4)得益于低轨卫星互联网,激光通信拥有广阔的市场发展前景

激光通信更加安全的特性,使其更加吸引要求高数据安全性的政府和银行等用户。马斯克预计2022年发射的所有starlink卫星都将配备激光星间链路。除此之外,美国宇航局计划在下个月发布一个新型激光通信系统,该系统将能够让数据在地球和太空之间,用更快的速度传输。中国的卫星互联网也将激光通信作为重要的通信方式,下图是未来地面终端+卫星“天地一体”通信方式的示意图,我国短期可能将会以微波+激光结合的通信方式传输信息,但长期随着信息传输量的加大,微波由于其低带宽、低传输量以及激光通信技术的不断迭代终将被淘汰。

图五:我国未来地面终端+卫星“天地一体”通信方式的示意图

(资料来源:公开资料,本翼资本整理)

除此之外,激光通信不受国际电信联盟的监管,可以不受限制地使用,不需要昂贵的许可证。在发射卫星之前,如果采用射频通信技术就必须从想要发送射频波束的每个国家申请许可证并支付与每个许可制度相关的费用。激光通信不受国际电信联盟的监管,可以不受限制地使用,不需要昂贵的许可证。原因是其固有的小尺寸避免了干扰问题,并使未来不太可能进行任何限制性监管。因此激光通信技术在星间的应用也会使频谱资源的争夺放缓,未来甚至不需再去申请频谱已发射卫星。

故此,在低轨卫星的不断成熟和发展下,激光通信作为卫星间的信息传输方式,将发挥重要作用。

(5)微波短期仍为中高轨中继卫星通信主流,激光通信未来或能大量使用

中继卫星系统是指利用地球同步轨道(GEO)卫星为高动态、大范围、高速率的各类低轨用户提供数据中继服务的数据传输系统,是建立天基信息网络的重要组成部分。空间激光通信具有大带宽、高速率、高保密、体积小等特点随着国内外各类天基信息系统的建设提速,高轨卫星作为星间数据中继节点,传输容量需求日益增长。激光通信链路能够充分满足中继卫星的功能要求,是实现高速数据中继业务的可行途径。

国外在轨运行的高轨卫星激光链路以ESA“欧洲数据中继系统(EDRS)”为典型代表。EDRS系统是迄今为止唯一在轨商业化运行的激光星间链路,为低轨航天器用户提供数据中继服务。

但高轨卫星激光通信技术技术没有低轨卫星成熟,目前暂时不是国家规划重点,而且由于高轨卫星本身对传输时效性要求不强,微波传输短期内可能不会被淘汰。所以尽管激光通信在高轨卫星中应用,但市场前景没有在低轨星座中强。因此激光通信会更多受益于未来低轨空间互联网的不断发展,会拥有更广阔的应用空间。

2.2.2 星地激光通信技术有望突破,星间链路成功建成后,地面站数量可能会减少

因还没能突破激光在大气中的传播技术,目前星地通信的主要传输方式还是微波,但国内各个研究所都在研究激光技术的改进方案,届时将使星间激光通信成为可能。

但同时专家指出,若成功打通星间链路,地面站的建设就不需那么多;如果星间链路未能没打通,可能一颗星基本就要设一颗地面站,地面站的规模反而更大。此外,地面站的建设还存在土地等资源的审批问题,建设周期也很长,所以专家预测未来可能会以少建地面站为前提将星间链路打通。因此星地激光链路的空间可能没有想象中的大。

2.3 国网激光通信终端的市场规模测算

2015年,SpaceX公司提出StarLink计划,18年发射测试卫星。目前暂时还没有GW关于卫星发射的计划,本报告同时结合星链首批部署时间和国际电联的规则预测,中国国网可能2023年才能正式开始发射卫星。

假设:

1. 每年卫星发射数量:去年受疫情影响,星链计划发射了833颗卫星,今年星链5个月已经发射了13批次1.0版星链,累计约673颗卫星,按此比例,星链今年能发射1615颗卫星,能够负担31枚火箭的产能。中国因需在2027年11月之前将12992颗卫星部署完毕,时间紧迫,所以一定会以最大产能发射卫星,假设国网能在2023年产能和技术水平达到现在星链的同等水平,且2035年实现产能增加一倍,才能在2027年之前将卫星部署完毕。

2. 每颗卫星上激光终端数量:一个卫星一般有4套激光发射接收终端,有3个可能是作为备份,1个是正常使用,且随着技术的进步未来一个卫星的终端数量可能是会下降的,但卫星型号一旦定型以后,它更改的可能性不是很大。本文认为,出于性能稳定以及国家对成本控制要求不高的考虑,在5年内转变型号的可能性不大,所以预计每个卫星会搭载4套激光终端。(但激光终端的数量应该在2~4个左右,最大的情况是4个)

3. 激光终端价格:目前中国一个激光终端的价格要在三四百万,但随着生产规模的不断加大,激光终端价格也会大幅下降,后期可能会降到100多万。所以本文假设今年一个终端的价格为350万,可能到2030年已经下降到300万左右,之后每年下降,可能到2026年就可以达到预测的最低成本价150万。

据测算到2027年,激光载荷市场规模将达到近800亿。

表八:卫星发射及近地轨道激光发射接收终端需求数量测算(单位:万元)

(资料来源:公开资料,本翼资本整理) 

2.4 案例1:Mynaric德国激光通信终端制造商

2.4.1 历史沿革

Mynaric成立于2009年,由德国航空航天中心(DLR)的前员工创建,其目标是将数十年的无线激光通信应用于航空航天领域的经验商业化。

从2012年开始,Mynaric Lasercom GmbH(前Vialight Communications GmbH)与客户合作演示空对地和空对空场景,以推进技术进步并实现产品级成熟度。从那时起,Mynaric公司迅速在机载无线激光通信领域建立了国际声誉,并扩大了市场范围,吸纳了众多世界级的客户和供应商。

2016年,Mynaric扩大了业务,并在北美设立了办事处,为美国和加拿大的客户提供服务。总部位于美国亨茨维尔的Mynaric USA,Inc.(前Vialight Space Inc.)为美国客户提供特殊项目和必要的产品改进支持。美国分部积极参与Mynaric专门为近地轨道卫星星座开发的空间终端的开发。

2017年,Mynaric继续其发展道路,在德国证券交易所上市,以筹集增长资本进入批量生产。

2019年,Mynaric USA搬迁至洛杉矶,以便更接近美国的主要客户。Mynaric USA的举措还启动了北美主要市场的扩张计划,其中包括仅从美国境内采购的电子产品和软件。

2020年,CONDOR和鹰航空终端的第一批机组可供商业客户使用。蒂娜•加塔奥雷(Tina Ghataore)出任Mynaric USA首席商务官,美国分公司在大西洋彼岸开设了新的和扩建的设施,以监督美国境内采购的电子产品和软件的开发。Mynaric赢得了第一份美国政府合同,并将根据与美国国防机构的两份合同交付CONDOR卫星间链路终端的多个单元。

2.4.2 产品

CONDOR飞行终端:Mynaric的CONDOR飞行终端旨在将单个卫星以及位于低地球轨道上的数百颗甚至数千颗卫星组成的整个星座互联互通。它能够提供进出地面的超高宽带连接,它们是大规模和全球连接概念的关键要素,例如在地面提供互联网接入的低地轨道卫星星座和地球观测卫星,它们需要能够以成本的一小部分在更短的时间内将更多数据下游化。

图六:Mynaric的CONDOR飞行终端

(资料来源:Mynaric官网,本翼资本整理)

平台间链接:平台间链接提供了构成高空星座的众多无人机或气球之间的高速连接。它们是星座的数据高速公路——所谓的“骨干”——同时处理数百到数千名最终用户的汇总数据。在移动的平台上建立连接需要非常高的指向精度——相当于击中从一英里外从口袋里掉出来的硬币。

图七:Mynaric的平台间链接

(资料来源:Mynaric官网,本翼资本整理)

地面站:飞机、气球和无人机发送的激光通信信号由紧凑的空间光学地面站接收。光学地面站非常小,可以安装在面包车上,可以随时进行数据分析,甚至可以坐在建筑物屋顶上连接到现有基础设施。

图八:Mynaric的地面站

(资料来源:Mynaric官网,本翼资本整理)

地面空间站:空间光学店面站接收来自地球观测任务或卫星星座的激光通信信号,通常将其反馈给现有的地面网络基础设施进一步分发。他们需要在几秒钟内与空间中的对应方建立可靠的联系,因为低地球轨道上的卫星通常只能在固定位置看到几分钟。

图九:Mynaric的地面空间站

(资料来源:Mynaric官网,本翼资本整理) 

2.4.3 财务情况

2020年,Mynaric报告年度收入增长52.9%,达到67.9万欧元(上一年度:44.4万欧元),在美国市场的收入大幅增长。该公司的订单情况与上一年相比又有了很大改善。公司有资格获得一定的政府补助金,用于资助开发活动和解决方案方法方面的创新工作。2020年政府补助增加到29.5万欧元(上一年度:14万欧元)。

 图十:Mynaric利润表

(资料来源:2020年Mynaric年报,本翼资本整理)

Mynaric的CONDOR客户将在2021年上半年收到设备,并将继续与机载领域的主要客户合作,确定激光通信在无人机上大规模使用的部署路线图。

图十一:Mynaric收入情况

(资料来源:2020年Mynaric年报,本翼资本整理)

2021年Mynaric的生产目标是实现每年三位数的产品产量。2020年已经为实现2021年的生产目标奠定了基础。产品也将在2021年成熟,将以最快的速度改进机载和星载终端的第一个版本。Mynaric将重点转向外部,致力于在大西洋两岸开展更多的业务发展活动和培养团队。

2.5 案例2:TESAT德国激光通信终端制造商

2.5.1 历史沿革

1971年,签署了国际通信卫星组织的第一个空间项目;

1989年,TESAT成为德国电信科珀尼库卫星主要承包商;

2006年:TESAT成为德国国防军第一颗卫星SAR-Lupe的主要供应商;

2013年,TESAT为Alphasat提供第一个光学中继有效载荷;

2014年,利用Alphasat建立第一个GEO-/LEO-ISL(地球同步轨道-低轨星间链路),距离为4万公里;

2018年,TESAT建立了超过1万个在太空的激光链接;

2019年,第一个CubeLCT生产、测试并交付给客户。

2.5.2 产品

TESAT可以为不同的需求提供合适的激光终端。LCT135可以在高达80,000公里的距离上传输高达1.8 Gbps,安全、快速且完全无故障。通过这种地球静止骨干,TESAT技术使全球数据能够近实时传输。对于低地球轨道(LEO)的应用,有SmartLCT,它可以部署在更小、更轻的卫星上,节省巨大的重量和尺寸。SmartLCT在保持高达1.8 Gbps的高数据速率的同时,在长达45,000公里的距离上传输数据,重量仅为30公斤左右。

对于更小的卫星,TESAT的激光组合提供TOSIRIS和CubeLCT,它们可以以10 Gbps(TOSIRIS)或100 Mbps(CubeLCT)的速度传输直接到地球的数据。特别令人印象深刻的是相关的体重减轻。已经很小的TOSIRIS只有8公斤,而边缘长度只有10厘米的CubeLCT只有360克。开创性的特点是,TESAT LCT已经帮助将卫星的接收能力提高高达50%,因为可以在更短的时间内传输更多数据。这使得在短短5天内重新记录整个全球陆地(1.5亿平方公里),同时在不到15分钟内将其提供。

表九:TESET产品特性对比

(资料来源:TESET官网,本翼资本整理) 

图十二:TESET激光通信终端产品

(资料来源:TESET官网,本翼资本整理)


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