衛星通信技術分析，衛星通信方式概述

• 楊興杰 2023年8月21日 來源：中研網 1218 79
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衛星的通信方式主要可分為2種，包括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。其中，微波通信和激光通信是目前最成熟、最常用的應用于空間的網絡手段。

一、衛星互聯網通信技術

衛星互聯網的通信技術：按通信介質可分為電磁波通信和光通信。

衛星的通信方式主要可分為2種，包括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。其中，微波通信和激光通信是目前最成熟、最常用的應用于空間的網絡手段。太赫茲是電磁波的一種，相比于量子通信的通信速率，太赫茲通信的通信速率普遍更快。量子通信主要通過光進行信息傳播，器件成熟度還未達到可工業使用的要求。

目前最成熟的通信方式是微波通信。微波通信在器件、算法等各方面的發展都已經較為成熟。但同時，微波通信也存在一些不足之處：1）長距離傳輸需要較高的功耗，傳輸速率也會受到限制。2）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。

激光通信技術日益成熟，在星間通信中的使用逐步增多。激光通信受益于地面的光纖通信對產業鏈的催化，其優勢為傳輸速率高、無頻段限制，且對其他任何星間通信不會造成干擾，但其對鏈路的建立過程有非常高的要求，一般只能一對一的傳輸。

二、微波通信：通信頻段向高頻拓展

1.衛星波束的覆蓋形式

點波束（指向波束）：基于數字波束成形的指向波束，點波束總是指向用戶。由于點波束功率遠超寬波束，因此點波束能夠實現更高效的調制和編碼，具有每秒百兆比特的通信容量。

寬波束：固定指向，主要用于傳輸控制命令。寬波束間支持波束切換，寬波束較大的覆蓋范圍可以降低不同波束切換頻率。

2.衛星使用微波通信搭載的設備組件

微波通信：微波通信將微波作為傳輸的介質，而無需使用固體介質。微波具有頻率高、波長短的特點，在空氣中直線傳播，遇到障礙物會被反射或阻斷。

三、激光通信：實現星間高速通信的重要方式

激光通信概述：衛星激光通信是利用激光光束在衛星間或者衛星與地面之間傳遞信號的方式。區別于微波通信，激光光束在空間中充當信息的傳輸載體。目前，空間激光通信系統主要使用半導體激光器作為光源，而激光通信系統的波長通常選擇在0.8~1.0μ波段之間。

1.激光通信的技術優勢

頻帶寬度大，鏈路通信容量較大；

波束發散角度小，方向性強，具備良好的抗干擾和防截獲性能，系統安全性高；

設備之間沒有微波信號干擾，無需申請空間頻率使用許可證。然而，由于激光光束較窄，對準、捕獲和跟蹤是激光通信系統需要應對的重要問題。因此，激光跟蹤技術是星際激光鏈路的關鍵技術之一。將微波通信技術和激光通信技術相結合已成為星座組網的主流，以滿足大規?？焖侔l展的衛星通信星座對更高的測量精度和更快的通信速率的需求。

2.激光通信：通信體制&捕獲方式

通信體質：非相干通信&相干通信：空間激光通信共有兩種最常用的通信體制，包括：相干通信、非相干通信。目前，相干通信和非相干通信都已在國際上完成在軌關鍵技術驗證，并開始了大規模的組網建設部署階段。相比之下，在工程應用場景中，相干體制適用于鏈路距離較遠且速率較高的情況，而非相干體制則適用于鏈路距離較近且速率較低的情況。

對準捕獲方式：信標光&非信標光

“信標光+信號光”捕獲方案是指激光通信終端使用單獨的信標光。通過使用較寬的信標光束按照一定的掃描方式對不確定區域進行掃描。終端使用大視場的捕獲探測器來監測接收信標光的質心位置，以實現對信標光的捕獲和跟蹤，進而將信號光引導至跟蹤探測器接收視場，進行精確跟蹤，最終實現激光建立通信鏈路。

“非信標光"捕跟方案則是指在工作過程中不使用信標光，直接使用信號光進行掃描，并通過對信號光進行分光，實現光通信終端之間的捕獲和跟蹤功能。

3.激光通信：關鍵組件可分為五類

激光通信一般都會包括以下關鍵組件：激光發射器、發射光學鏡頭、接收光學鏡頭、激光接收器、控制硬件。

激光發射器：用于生成和調制激光信號，可以是單個激光器，也可以是多個激光器，也可以是相控陣或泛光面陣等不同結構。激光發射器利用成熟的地面光纖技術，可以提高數據傳輸速率。

發射光學鏡頭：發射光學鏡頭是激光信號從發射器傳輸到自由空間需要一種裝置，它可以是固定的鏡頭，也可以是可調節的鏡頭，也可以是可以旋轉或者基于微機電系統（MEMS）的鏡子。這些發射光學鏡頭的作用是控制激光束的方向、擴散角度和功率密度。

接收光學鏡頭：接收光學鏡頭用于將自由空間中的激光信號集中到接收器上的裝置。它可以是固定的鏡頭，也可以是可調節的鏡頭，也可以是可以旋轉或者基于微機電系統（MEMS）的鏡子。接收光學鏡頭的功能是增加接收器的有效面積，降低背景噪聲并提高信噪比。

激光接收器：激光接收器是一種用于探測和增強激光信號的裝置，可以是單個探測器，也可以是多個探測器，也可以是陣列或相機等結構。激光接收器通常分為兩種類型：直接檢測（如PIN二極管）和外差檢測（如雪崩二極管或單光子計數器）。

控制硬件：這種設備被用來管理發射器和接收器，處理激光信號，并維護通信鏈路等任務。通常，控制硬件由數字信號處理器（DSP）、激光驅動器、可變跨導放大器（TIA）等通信接口組成。

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