淺談空間激光通信終端幾種常見架構(gòu)

近年來，商業(yè)航天的迅猛發(fā)展正在重塑全球航天產(chǎn)業(yè)格局。以SpaceX為代表的商業(yè)航天公司，通過低成本火箭發(fā)射、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座（如Starlink）等創(chuàng)新模式，不僅大幅降低了太空探索的門檻，更推動了航天技術(shù)的快速迭代。隨著低軌衛(wèi)星星座的規(guī)模化部署，海量數(shù)據(jù)傳輸需求日益迫切，傳統(tǒng)微波通信在帶寬和抗干擾方面的局限性逐漸凸顯。在此背景下，星間激光通信憑借其超大帶寬、高保密性、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢，成為構(gòu)建高速太空信息網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。2025年8月，SpaceX首次公開展示其第五代激光通信終端，該終端采用一體化集成光路設(shè)計(jì)，將光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、指向轉(zhuǎn)臺等關(guān)鍵組件高度集成于緊湊模塊中，完美契合星鏈數(shù)萬顆衛(wèi)星的部署需求。

值得關(guān)注的是，中國的“GW星座”星間激光通信的技術(shù)路徑上呈現(xiàn)出與Starlink相似的集成化趨勢，特別是英田光學(xué)的技術(shù)布局，反映出激光通信終端一體化設(shè)計(jì)已成為應(yīng)對未來巨型星座挑戰(zhàn)的共識。這一共識的形成源于技術(shù)路線的持續(xù)演進(jìn)：從粗精復(fù)合跟蹤架構(gòu)、一體化集成架構(gòu)、到模塊化可擴(kuò)展架構(gòu)，其演進(jìn)始終圍繞提升跟蹤精度、系統(tǒng)穩(wěn)定性與量產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性三大目標(biāo)，推動終端從功能實(shí)現(xiàn)走向規(guī)�；瘧�(yīng)用。

第一代：粗精復(fù)合跟蹤架構(gòu)

作為現(xiàn)代衛(wèi)星激光通信的主流方案，粗精復(fù)合跟蹤式終端采用“動靜分離”機(jī)制：通過衛(wèi)星平臺姿態(tài)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)粗跟蹤，再借助終端內(nèi)部的快速控制擺鏡完成精密指向與振動補(bǔ)償。該設(shè)計(jì)兼具千赫茲級高帶寬振動抑制能力與高在軌可靠性。其常見實(shí)現(xiàn)形式包括潛望鏡式、擺鏡式和T型等架構(gòu)，已成為歐洲EDRS系統(tǒng)、SpaceX星鏈及英田光學(xué)等國內(nèi)外企業(yè)首選的技術(shù)路線，共同推動激光通信從實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證邁向規(guī)�；瘧�(yīng)用。該架構(gòu)具有技術(shù)成熟度高，跟蹤精度可靠，適合長距離、高穩(wěn)定度要求的任務(wù)的特點(diǎn)，但由于設(shè)備分離，使得系統(tǒng)復(fù)雜、體積重量大、功耗高，難以滿足商業(yè)航天的大規(guī)模部署需求。

第二代：一體化集成架構(gòu)

2010年中期至2020年代，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其專用光、電器件的發(fā)展，逐步將光學(xué)、電子、控制子系統(tǒng)進(jìn)行融合，形成更為緊湊的系統(tǒng)。該階段光學(xué)系統(tǒng)集成方面采用透射式或折反射式緊湊光學(xué)設(shè)計(jì)，大幅減小體積；在電子系統(tǒng)方面開展片上化，專用集成電路（ASIC）和現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的應(yīng)用提高了處理能力；在PAT算法上逐步開展基于模型預(yù)測控制和人工智能的初始捕獲算法，縮短了鏈路建立時(shí)間。德國TESAT的LCT系列（2014年），日本JAXA的LUCAS終端（2014年）均為該類代表，SpaceX在2021年后為Starlink V1.5衛(wèi)星批量加裝的激光終端，雖未公布詳細(xì)技術(shù)參數(shù)，但據(jù)分析屬于高度集成化設(shè)計(jì)，單終端重量可能低于10公斤，成本控制在數(shù)十萬美元級別，實(shí)現(xiàn)了從“實(shí)驗(yàn)室精品”到“工業(yè)化產(chǎn)品”的轉(zhuǎn)變。目前我國的激光通信終端也多采用該類技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了激光終端10kg以下。

然而，一體化集成架構(gòu)不僅體現(xiàn)在星載終端上，也在地面系統(tǒng)中衍生出具有代表性的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，例如庫德式激光通信地面終端。該設(shè)計(jì)采用獨(dú)特的光路布局，通過主鏡后方的三鏡反射系統(tǒng)將入射光束經(jīng)方位軸與俯仰軸折轉(zhuǎn)，最終導(dǎo)入固定于地基的光學(xué)接收系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動望遠(yuǎn)鏡與固定光路的無縫耦合。該架構(gòu)通過固定安裝重型接收設(shè)備，大幅降低運(yùn)動部件轉(zhuǎn)動慣量，顯著提升系統(tǒng)跟蹤帶寬與動態(tài)響應(yīng)性能，同時(shí)有效規(guī)避電纜纏繞問題，增強(qiáng)系統(tǒng)長期運(yùn)行可靠性，并簡化高熱耗設(shè)備的溫控設(shè)計(jì)。在歐洲南方天文臺甚大望遠(yuǎn)鏡干涉儀的激光導(dǎo)星系統(tǒng)及美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室的星地激光通信試驗(yàn)臺中，該結(jié)構(gòu)均得到成功應(yīng)用，證實(shí)其在極端要求下的科學(xué)觀測與軍事通信領(lǐng)域具有不可替代的技術(shù)價(jià)值。

第三代：模塊化可擴(kuò)展架構(gòu)

近些年，基于標(biāo)準(zhǔn)化接口技術(shù)、模塊化設(shè)計(jì)、軟件無線電，逐步支持靈活配置和在線升級，正逐步將激光通信終端向模塊化可擴(kuò)展架構(gòu)方向推進(jìn)。在設(shè)計(jì)理念上，通過將光學(xué)頭、控制器、電源等設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)模塊，支持快速更換和升級，實(shí)現(xiàn)即插即用；實(shí)現(xiàn)軟件定義功能，通過軟件更新實(shí)現(xiàn)協(xié)議切換、速率調(diào)整、算法優(yōu)化，延長終端生命周期；開展大規(guī)模量產(chǎn)工藝研究，基于模塊化的優(yōu)點(diǎn)，借鑒消費(fèi)電子制造經(jīng)驗(yàn)，采用自動化組裝和測試流程，實(shí)現(xiàn)低成本、快速建造的目標(biāo)。

2023年，基于“GW”等大規(guī)模應(yīng)用需求，英田光學(xué)成功研制出星間激光通信終端。該終端采用模塊化可擴(kuò)展架構(gòu)設(shè)計(jì)，通過將光學(xué)、電子等部組件模塊化設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，保證光機(jī)熱穩(wěn)定性、高隔離度等前提下，實(shí)現(xiàn)了多模塊的靈活接入，實(shí)現(xiàn)了批量制造等多項(xiàng)技術(shù)上實(shí)現(xiàn)突破，能夠有效滿足星座規(guī)�；�組網(wǎng)的星間通信需求。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了從實(shí)驗(yàn)室工藝到工業(yè)產(chǎn)品的根本轉(zhuǎn)變，通過固化內(nèi)部光路，既確保了衛(wèi)星在振動、溫差等極端環(huán)境下的指向精度與可靠性，又支持自動化流水線批量生產(chǎn)，顯著降低了成本與裝配復(fù)雜度。

下一代發(fā)展：智能化和網(wǎng)絡(luò)化架構(gòu)

下一代空間激光通信終端將超越單純的“通信設(shè)備”范疇，向智能空間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)演進(jìn)。主要發(fā)展方向包括：能夠感知空間環(huán)境、自主選擇最優(yōu)通信參數(shù)的智能激光通信技術(shù)；通過相控陣光學(xué)技術(shù)或波導(dǎo)數(shù)字波束成形，實(shí)現(xiàn)一對多同步通信；終端設(shè)計(jì)兼顧星間、星地、空地等多場景應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)全域覆蓋的多任務(wù)能力。

空間激光通信終端發(fā)展經(jīng)歷了從技術(shù)驗(yàn)證、工程實(shí)用到規(guī)模量產(chǎn)的發(fā)展。在商業(yè)星座建設(shè)、國際競爭格局與國家戰(zhàn)略需求的多重驅(qū)動下，一體化集成光路憑借其在系統(tǒng)性能、制造成本與量產(chǎn)效率方面的綜合優(yōu)勢，已為構(gòu)建全球衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)及實(shí)現(xiàn)天地一體化網(wǎng)絡(luò)奠定了核心技術(shù)基礎(chǔ)。