激光星间链路（Inter-Satellite Laser Links, ISLLs）技术

激光星间链路是一种利用激光作为载体在空间进行信息传输的技术，使得卫星之间能够通过激光通信进行直接的数据传输。具有高吞吐率、高传输带宽和高安全性等特点，使其成为未来空间通信的重要发展方向。与微波链路相比，激光星间链路具有更高的速度和更强的安全性。

｜工作原理

1. 激光发射与接收：ISLLs卫星装备有激光发射器和接收器，用于发送和接收激光信号。这些激光器能够在特定的波长上产生高度集中的光束，以实现高速数据传输。

2. 精确指向与跟踪：由于激光束非常窄，因此需要高精度的指向和跟踪系统。卫星上的控制系统使用先进的传感器和执行器来保持激光链路的稳定性，即使在卫星相对运动和外部扰动的情况下也能保持精确的对准。

3. 信号调制与解调：激光通信系统使用特定的调制技术来将数据编码到激光信号中。在接收端，解调技术被用来将激光信号转换回原始数据。这些调制解调技术支持高速数据传输，同时确保信号的可靠性和鲁棒性。

4. 光学通信链路：激光星间链路建立的是一种光学通信链路，这种链路不受传统射频（RF）频谱的限制，能够提供更高的数据传输速率和频谱效率。此外，光学链路对电磁干扰的抵抗力更强。

5. 空间环境适应性：激光星间链路技术考虑到了空间环境的挑战，如温度变化、辐射和微流星体的影响。卫星的设计和材料选择都旨在确保激光通信系统在恶劣的太空环境中能够稳定工作。

6. 星间网络的形成：通过激光星间链路，卫星可以形成一个动态的、高带宽的星间网络。这个网络能够在太空内部自我管理和重新配置，以适应不同的通信需求和环境变化。

7. 频谱共享与效率：激光星间链路技术允许卫星更有效地利用频谱资源，减少对地面通信网络的依赖，并提高整个网络的频谱效率。

8. 减少延迟：由于数据可以在卫星之间直接传输，而不需要通过地面站中继，激光星间链路显著减少了通信延迟，这对于需要低延迟连接的应用尤为重要，如实时视频会议、在线游戏和高频交易等。

激光星间链路技术是卫星网络中的一项重要创新，它通过在卫星之间建立高速、高带宽的光学通信链路，大幅提高了数据传输的速率和效率，同时减少了通信延迟和对地面基础设施的依赖。随着这项技术的进一步发展和完善，预计未来将会有更多类似的系统投入使用，为全球用户提供更快速、更可靠的互联网连接。

｜技术优势

1. 高速率：激光通信可以实现极高的数据传输速率。例如，可见光激光通信系统已经实现了418.3 Gbit/s的总传输数据。
2. 高安全性：激光通信由于其波长短且方向性强，可以有效防止窃听和干扰。
3. 节省建设成本：通过激光通信建立星间链路，可以减少地面信关站的建设需求，同时有助于数据流汇聚，简化卫星网络结构，从而多方面节省建设成本。

｜面临的挑战

1. 大气干扰：大气中的云层、悬浮颗粒和其他气象条件可能会干扰或吸收激光信号，导致通信中断或信号衰减。这种干扰在低地球轨道（LEO）尤其明显，因为卫星在这些轨道上的运动速度非常快，频繁进出大气层。

2. 精确指向和跟踪：由于激光束非常窄，卫星之间的精确指向和跟踪至关重要。这要求卫星具有极其稳定和精确的姿态控制系统，能够在动态环境中保持激光链路的稳定。

3. 空间环境：太空中的极端温度变化、辐射和微流星体等环境因素可能会影响激光设备的工作性能和寿命。

4. 空间碎片：卫星之间的高速运动以及空间碎片的存在可能会对激光链路造成物理损害，影响通信链路的稳定性和可靠性。

5. 技术复杂性：激光通信系统的设计、制造和测试非常复杂，需要高度专业化的技术和设备。此外，系统的可靠性要求极高，因为任何故障都可能导致整个链路失效。

6. 法规和频谱管理：激光通信需要遵守国际电信联盟（ITU）的规定，并且需要与其他卫星网络和地面通信系统协调频谱使用。

7. 信号衰减和失真：在长距离传输过程中，激光信号可能会因为散射、衍射和其他光学效应而衰减或失真。

｜与传统卫星通信技术相比的优势与不足

优势

激光星间链路技术具有较强的抗电磁干扰性能，这使得其在复杂的空间环境中仍能保持稳定的通信。相比之下，传统卫星通信系统由于其广域性和广播特性，容易受到干扰和窃听。

激光通信通过激光束进行信息传递，具有较高的保密性，因为激光信号不易被捕捉和解析。而传统卫星通信系统则需要依赖更为复杂的加密协议和密码算法来保护数据的机密性和完整性。

激光星间链路不受现有频谱资源的限制，可以在自由空间中直接进行高速率的数据传输。这对于应急通信、星地通信等场景尤为重要。

激光通信终端体积较小，且功耗低，便于在低轨卫星上部署和维护。相比之下，传统卫星通信终端通常体积较大，部署和维护更为复杂。

不足

由于激光波束窄，激光星间链路需要复杂的PAT系统来确保激光束能够准确地瞄准目标卫星。这增加了系统的复杂性和成本。

尽管激光通信具有较高的抗干扰和保密性，但其安全设计需求也相对较高。例如，需要采用先进的加密技术和安全协议来保护数据传输过程中的机密性和完整性。

激光通信在物理层面仍然面临一些安全威胁，如激光束可能被破坏或干扰，导致数据传输失败。因此，需要进一步研究和开发抗损毁技术来提高系统的可靠性。

｜国内的关键技术突破

中国航天科工二院25所基于虹云工程星间高速通信需求，突破了多项关键技术，研制的高性能星间激光通信终端可以在高速运动的卫星平台上实现激光通信链路的建立和保持。长光卫星完成了10千兆比特每秒及100千兆比特每秒速率的星间高速激光通信测试，并且在稳定建链期间通信误码率为0。此外，行云二号卫星也成功验证了星间激光链路技术，并进行了一系列在轨技术验证及行业示范应用测试。

此外 ，基于星间激光的光传送网络（OTN）承载方案方面，在低轨卫星互联网、波分复用、高速率通信、长距离通信以及动态重构与路由交换等方面取得了显著的研究进展和实际应用案例。西安光机所科研团队在2022年成功实现了基于星间激光通信链路的双星路由建立、视频IP电话和业务数据流传输等多种实际应用示范。这表明星间激光通信技术已经开始在低轨卫星互联网中得到广泛应用，能够支持复杂的网络服务和数据传输；复旦大学迟楠教授团队开发的波分复用可见光激光通信系统成功实现了418.3 Gbit/s的总数据传输速率，展示了其在星间大容量通信中的应用潜力。这种高速率的通信系统为未来的星间通信提供了强有力的技术支持。

｜应用前景

激光星间链路技术已从在轨演示验证向大规模组网应用阶段发展。目前，国外的Starlink和LeoSat星座项目都采用了星间激光链路实现空间组网的方案。在国内，行云二号卫星物联网星座也实现了星间激光通信的新突破。

｜在高速运动卫星平台上的稳定性和可靠性

1、由于卫星平台的高速运动，激光链路的拓扑结构需要进行动态优化，以适应卫星之间的相对运动。可以采用多目标模拟退火算法来优化激光星间链路的拓扑结构，确保通信、测量和自主定轨等多重需求得到满足。此外，建立导航卫星激光星间链路的链路周期表，综合考虑卫星平台、轨道动力学和激光终端捕获跟踪的因素，可以有效提高链路的稳定性和可靠性。

2、在无向图模型的基础上，将链路分配定义为一个受拓扑可靠性要求和节点度限制的多约束优化问题。提出基于可靠性约束的时延优化算法，可以在保证链路可靠性的同时，优化数据传输的时延，从而提高整体系统的性能。

3、在星间激光链路接口模型中，针对节点卫星数据处理转发效率低的问题，可以设计数据帧调整单元整合不同信源的数据；针对空间信道随机错误对系统性能影响较大的问题，添加链路传输处理单元提高激光链路传输的可靠性。

4、在星间激光通信过程中，必须确保发射端与接收端的光路对准，才能进行有效的数据传输。由于星上平台振动、星间相对运动和系统内部噪声等因素的影响，对准误差会发生偏移。因此，采用高精度的光路对准技术，如贝克曼分布优化算法，可以显著减少瞄准误差，提高通信的稳定性和可靠性。

5、指向、捕获和跟踪（PAT）是激光星间链路的主要技术挑战之一。为了快速建立激光链路并最大化通信时间，最小化采集时间非常重要。通过优化PAT技术，可以有效提高激光链路的捕获时间，从而提高通信的稳定性和可靠性。

6、实际验证也是确保激光星间链路稳定性和可靠性的重要手段。例如，“行云二号”卫星成功实现了双向通信，验证了激光通信载荷技术的可靠性，并打破了卫星物联网星座间信息传输的瓶颈。此外，通过在不同距离下测试宽带星间激光通信的效果，可以进一步验证其在实际应用中的表现。