随着科技的飞速发展，互联网已成为现代社会不可或缺的一部分。

然而，地球上仍有大量地区未能覆盖互联网，尤其是偏远山区、海洋以及空中。

卫星互联网以其覆盖范围广、部署灵活等优势，成为解决全球网络覆盖问题的重要手段。

中国作为航天大国，近年来在卫星互联网领域取得了显著进展，星间链路技术作为其中的关键技术之一，对于实现全球无缝覆盖的卫星网络具有重要意义。

01

中国卫星互联网的发展历程

早在2016-2018年，航天科技、航天科工、中国电科、中国电信等国家队各自提出低轨互联网星座建设方案。

2018年，中国成功发射了“虹云工程”首颗技术验证卫星，标志着低轨宽带卫星互联网建设迈出了实质性步伐。

随后，中国航天科技集团推出了“鸿雁星座”计划，旨在构建一个全球覆盖的低轨卫星通信系统。

2020年4月，国家发改委将卫星互联网列为“新基建”中的信息基础设施，意味着以低轨卫星通信系统为代表的太空基础设施建设上升至国家战略层面。

2021年4月，国务院国资委发布关于组建中国卫星网络集团有限公司的公告。新组建的“星网”公司总部落地雄安新区，注册资本100亿元。

根据国际电信联盟（ITU）官网信息披露，中国星网公司共申请计划发射的卫星总数量12992颗。

2022年10月，星网公司通信卫星01/02招标结果公示，后续卫星的招标和发射有望加速。

2023年7月9日，我国卫星互联网技术试验卫星成功发射，标志着国内卫星卫星互联网建设正式进入实施阶段。

2023 年 10 月，工信部发布《关于创新信息通信行业管理优化营商环境的意见（征求意见稿）》，提出分步骤、分阶段推进卫星互联网业务准入制度改革，不断拓宽民营企业参与电信业务经营的渠道和范围。

这些计划的实施，不仅将加速我国卫星网络的构建，促进我国卫星互联网产业链上下游协同发展，也将为全球互联网的普及做出贡献。

此外，卫星互联网在俄乌战争、巴以冲突中发挥了关键的军事及援助功能，其作为“大国重器”的地位日益凸显。因此，构建一套完善的卫星互联网星座正在迅速成为大国竞争的重要科技高地。

02

为什么需要星间链路

低轨卫星通信网络包括空间段、地面段和用户段三部分。

其中，空间段由众多低轨卫星组成，负责信息的接收和转发，部分卫星具备星上处理能力。

地面段包括各类关口站、测控单元、操作控制中心和网络控制中心。

用户段由各类用户终端构成，包括手持终端、IOT终端，以及固定/移动甚小口径终端等。

图片来源：建投华科整理

其中，空间段的卫星与卫星之间的通信链路被称为星间链路。卫星星座系统通常由一个或多个轨道面构成，同轨面及异轨面的相邻卫星间可建立微波或激光链路，并且在运动过程中保持连接，实现数据信息在卫星之间的转发和交换，使得多颗卫星有机结合，形成以卫星为交换节点的空间通信网络。这对于构建全球卫星互联网至关重要。

图片来源：《卫星互联网路由技术的现状及展望》

引入星间链路具备以下优点：

覆盖范围广

地球同步轨道（GEO）卫星虽然覆盖范围广，但无法覆盖两极地区，且由于高轨卫星距离地面约3.6万公里，存在信号延迟问题。低轨（LEO）卫星可以提供更好的覆盖和更低的延迟，但单颗卫星的覆盖范围有限，需要星间链路扩大系统覆盖范围。

通信可靠性高

星间链路提供了多条通信路径，增强了网络的冗余性和抗毁性，确保了通信的稳定性和可靠性。减少对地面站的依赖：通过星间链路，数据可以直接在卫星之间传输，

减少了对地面站的依赖，能够更为灵活方便地进行路由选择和网络管理，提高了数据传输效率。同时，减少了地面信关站的数量，可大大降低地面段的复杂度和建设成本。

降低通信时延

随着物联网、自动驾驶等新兴技术的发展，对网络的实时性和可靠性提出了更高要求。星间链路能够提供更加稳定和低延迟的网络服务，满足多媒体实时业务的服务质量要求。

03

激光通信逐渐成为星间链路的主要技术方案

星间链路技术方案主要包括激光通信和微波通信。

相比于微波通信，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。

其次，星间激光通信不需要向国际电联申请特定频段，使得频段使用更加便捷。

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，具有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、重量和功耗方面的优势便可以体现，而这也符合当今卫星平台对有效载荷的要求。

随着卫星互联网的发展，激光星间链路将逐渐成为全球主流低轨卫星星座的主流技术方案。

2021年1月，SpaceX发射了带激光通信的星链卫星，将星间激光通信实现产业化。截至目前，Starlink网络拥有超过5600颗活跃卫星，其中近3000颗星带有星间激光通信。

2023年12月14日，亚马逊宣布其Kuiper星座的两颗试验星已成功实现1000公里距离的双向100Gbps星间链路测试，并表示将在该星座中后续的每颗卫星上添加激光链路，以构建强大的宽带卫星通信网络。

04

星间激光通信的技术难点

卫星激光通信系统包括光学、跟瞄、通信三个基本分系统，以及热控、配电等配套系统，涉及光、机、电等多学科技术。

星间激光通信以激光为信息载体，首先完成两个卫星之间的高精度建链，建链成功后再进行高速数据通信。

在星间建链过程中，首先需要做瞄准（Pointing），即把发射光线指向对端接收卫星的位置。第二步要做捕获（Acquiring），两颗通信的卫星之间要互相发射激光，双方需要锁定和捕获对方发射的激光。

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。此外还需要预瞄准机构来补偿通信双方在不同的轨道运转而引起的相对运动误差。

第三步需要做跟踪（Tracking），由于卫星在实时高速移动，需要保证双边光束能持续跟瞄和锁定。

由于激光波束窄，进而导致瞄准、捕获、跟踪（PAT）系统复杂，实现星间链路面临多项挑战：

首先，卫星激光通信发散角小，需要光学系统以及高精度的跟瞄辅助机制完成建链。由于两颗卫星之间距离很远，完成接收机和发射机之间的远距离瞄准非常困难。

其次，卫星通信收发两端处于高速运动状态，需要精确指向并实时跟踪对端卫星。

同轨道面卫星之间的位置关系是相对固定的，因此这类星间链路相对容易保持。但异轨道面卫星之间的相对位置关系（如链路距离、链路方位角和链路俯仰角等）是实时变化的，星间链路很难维持。

同时，卫星本身的机械运动、太阳能帆板、卫星载荷转台等都会使卫星自身产生振动，这会造成发射光束的抖动，使得激光链路的稳定性较低。

以上因素都会使得激光信号传输时出现接收功率抖动甚至误码，星间激光通信依赖高精度的光学跟瞄系统保持星间链路的动态对准和连接，光学跟瞄系统的性能主要受光学天线精度、轨道预测精度、载荷控制补偿精度的约束。

在卫星体积、质量、功耗和成本约束下，光学跟瞄系统难以确保足够的鲁棒性。

此外，卫星运行所处的空间中，星间激光通信可能受到源于太阳、月球及其他星球的辐射和反射的背景噪声影响，有时候这种背景噪声光强度甚至超过所接收的信号光强度，这也要求星间激光通信系统具有较强的抗背景噪声能力。

在这种运行环境下，上层的数据链路和路由承载协议的抗链路失效能力对卫星通信尤为关键。

05

结语

星间链路技术增强了卫星互联网系统的独立性和灵活性，是构建卫星互联网的关键，将极大地推动中国乃至全球的网络覆盖和通信能力。

当前，我国星间激光通信的商业化还存在一定的工程难题亟待解决，且需要进行足够的卫星在轨测试。

以航天科工、航天科技集团为代表的科研院所正在积极进行技术攻关；民营企业中，也涌现出了一批以星载激光通信终端为主业的初创公司。

2020年5月，“行云二号”双星成功发射入轨，双星搭载的激光通信载荷技术得到成功验证，实现卫星物联网星座实现星间激光通信的突破。

2024年5月，极光星通成功发射2颗实验星，并搭载了其自主研制的激光通信终端，在轨期间将开展星间和星地激光通信验证工作。

尽管面临多项技术挑战，但随着技术的进步和政策的支持，星间链路的实现将为中国卫星互联网的发展开启新的篇章。

参考文件：

1.华创证券_通信行业2024年度投资策略：紧抓卫星通信+光模块双主线投资机会

2.开源证券_通信行业深度报告：大国重器，我国卫星互联网迎“破茧成蝶”成长期

3.国盛证券_通信行业策略：光学、射频与材料-下一代卫星互联网看什么？

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本文转载自“JIC投资观察”，原标题《产业｜星间激光通信：天基互联网如何“互联”》，作者：杜文婧、冯源。

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