激光链路将微型卫星与地球以及相互齐集起来
图 1.在低地球轨谈上的成对卫星之间的激光链路将为行家无线网罗提供主干网，并通过无线电链路齐集到地球。
三十年前，第一条长距离海底光缆通过提供更低的延伸和更大的带宽，将通过地球同步卫星路由的海外电信流量带回地球。现在，打算中的低地球轨谈微型卫星星座但愿通过为天下上近一半穷乏宽带互联网工作的东谈主口提供更低的延伸和更多的带宽，将电信带回天外。这些卫星之间的激光链路将提供系统的主干网（见图1）。
天外激光通讯的思法不错讲究到 1960 年激光器的降生，其时西奥多·迈曼 （Theodore Maiman） 将其算作一种潜在应用提议。但是，直到2008年，两颗低地球轨谈卫星——欧洲雷达卫星TerraSAR-X和好意思国军用卫星近场红外实践（NFIRE）——之间才初次展示了星间激光链路，Tesat Spacecomm激光通讯系统产物司理Philipp Biller说（巴克南，德国）。Tesat提供的激光结尾平均需要不到25秒的时期才智相互锁定并运转以5.6 Gbit/s的速率在两个方朝上传输。只须两艘航天器相互在视野范围内，试运行就会持续进行，平均大要20分钟，在此时间它们之间的激光齐集旋转了大要80°。实践合手续了几个月，误码率低于10-8，范围可达8000公里。
2013年，好意思国宇航局（NASA）展示了深空的第一个激光链路，其时其月球激光通讯演示（LLCD）以622 Mbit/s的速率从月球传输数据，成为头条新闻。这标记着与无线电波可能完竣的数据速率比较有了很大的提高。
2016年，空中客车公司（Airbus）的SpaceDataHighway（SpaceDataHighway）运转运营首个商用激光星际链路，哄骗Tesat激光通讯结尾将四颗卫星在低地球轨谈上汇集的高优先级图像数据传输到地球同步轨谈上的中继器，以便将无线电传输到大地。低卫星中的高速激光上行链路追踪地球同步卫星，因此它不错快速中继图像，而无需恭候通过大地站。然后，同步轨谈不错通过其高速微波链路将图像中继到大地上的云工作器。2019年加多了第二颗地球同步卫星，提高了中继速率。
与此同期，天外激光通讯出现了一个引东谈主注方针新愿景：在近地轨谈上使用激光齐集的卫星，将宽带互联网和其他工作运载到光纤电缆无法到达的地方。麻省理工学院林肯实践室（马萨诸塞州列克星敦）的蒂姆·亚纳尔（Tim Yarnall）指出，有两个关节身分推动了这一趋势。“SpaceX颠覆了辐射工作行业，使得干涉低地球轨谈的老本大大裁汰，”他说。“推动制造微型卫星也曾创造了一个供应商基础，制造建造在低地球轨谈上责任的系统所需的通盘东西。
由数千颗卫星构成的星座
这个思法是在距离大地 300 和 2000 公里的地方运行数百或数千颗微型卫星，并确保至少有一颗卫星弥远位于任何被工作点上方的天际中。这些卫星将以多个环绕地球运行，这些环以不同的高度和位置远隔以幸免碰撞。卫星将均匀地散播在每个环周围，因此激光链路将弥远不错看到一两个相邻的卫星（见图2）。单个大地站将齐集到从新顶过程的卫星以发送信号，当该卫星超出范围时，它会将齐集派遣给奴婢其轨谈的下一颗卫星。一朝干涉天外，信号就和会过一系列星间链路进行路由，直到它到达过程方针地的卫星，该卫星会将信号路由到当地的大地站。
（图片由麻省理工学院林肯实践室的 T. Yarnall 提供）
图2.低轨谈卫星散播均匀，因此它们不错在行家范围内中继信号。在这个轨谈上，在轨谈向前边的一颗卫星和后头的一颗卫星老是在7到9个环中可见。使用 10 到 14 颗卫星的环不错完竣冗余，其中每颗卫星弥远不错齐集到前边的两颗和后头的两颗，因此单个卫星的故障不会中断齐集。
大地站和卫星之间可能存在微波链路，因为云和降水会招架空气中的光信号。一些建议设思了卫星之间的微波链路。但是，对于大气层以上的星间链路来说，激光链路比无线电频率具有着急上风：更高的传输带宽、更小的吸收器和更细致的波束以增强安全性。光波段濒临的最大挑战是需要督察相邻卫星之间的激光齐集，因为通盘星座在天外中迁移，每颗卫星的最相近居都在握住变化。
该打算是卓越现在卫星电话系统有限带宽的辽远飞跃，并引起了公司的广泛关心，这些公司但愿向现存电缆工作欠安的大片地区提供宽带工作，包括非洲大部分地区、中亚、北极和好意思国中部农村地区。Facebook很早就提议从高空飘舞的无东谈主机进行辐射，但现在正在谈判卫星。谷歌的 Project Loon 在 18 至 25 公里的高度飘舞气球，并与 Telkom Kenya 坚强了在农村地区提供工作的公约。由成百上千颗低轨谈卫星构成的舰队不错工作于更普遍的区域，而且与地球同步轨谈的四分之一秒往来时期比较，延伸要低得多。
亚马逊、波音和SpaceX都告示了数千颗微型低轨谈卫星的打算，Facebook也对此感酷好酷好。2019 年 5 月初，《航空周刊》统计了 32 家公司的提案，这些提案触及低地球轨谈上系数 13,529 颗微型通讯卫星。其时独一几颗测试卫星在轨谈上，但在 2019 年 5 月 23 日，一颗 SpaceX 为其 Starlink 系统辐射了 60 颗测试卫星;随后的三次辐射加多了更多的卫星。这些卫星莫得为通盘系统谋划的激光辐射器，但有里面发动机，不错将它们从440公里的下落点普及到550公里的最终轨谈。SpaceX现在正在辩驳在领先打算的4400颗卫星的基础上加多大要7500颗卫星，这将使Starlink星座接近12,000颗卫星。
激光硬件
射频传输更低廉，但激光器不错以划定的溢价提供更多带宽。这导致激光器开发东谈主员将预防力蚁合在 10 Gbit 数据速率上，以便他们粗略进步微波可用的数据速率。
打算中的星间激光链路主要基于为大地光纤系统开发的本领。麻省理工学院林肯实践室的Tim Yarnall说，险些通盘正在开发的辐射器都基于散播式反映二极管激光器，其次是光纤放大器。1550 nm 铒波段和 1030–1080 nm 镱波段都在谈判之中。“你不错在1550纳米处买到好多好的零件，”他说，但“在一微米处更容易产生电力。Tesat 使用 1064 nm 二极管泵浦固体激光器进行到地球同步轨谈的长距离继电器。空间数据系统商榷委员会（Consultative Committee on Space Data Systems）是一个圭臬组织，最近建议将1550纳米用于轨谈的下行链路，将1微米用于上行链路，以保合手波长分手。但是，这项本领仍在握住发展。
Mynaric， AG（德国吉尔兴）的Paul Cornwell说，7-15千克的结尾不错在4500公里的卫星间链路上传输10 Gbit/s，该公司建树于十年前，旨在开发用于航空航天的无线激光链路。“翌日是太比特的速率，”他说。该公司正在说合100 Gbit/s，但其目下的产物以10 Gbit/s的速率运行。图 3 浮现了 Mynaric 地基激光结尾。
（图片由Mynaric提供）
图3.Mynaric 大地“犀牛”结尾。
“指向、汇集和追踪是空间激光通讯中最具挑战性的问题，”Yarnall说。一个基本的量度是所在性与功率——光束发散越细致，打算的功率就越高，但对所在性的条目就越高。激光发散不错窄至 10 μrad。“对于咱们维持的NASA（深空）打算来说，这可能是值得的，”他说。“尺寸、分量和功率是关节问题，因此它们让咱们不错使用极度复杂的指向胁制系统来发扬性能，而不是向各个所在喷射能源。”
对于在低地球轨谈上由数百或数千颗卫星构成的星座来说，经济性极度不同，其中轨谈在几年内就会衰减，因此必须不时更换卫星。为了胁制老本，卫星必须体积小、大范围分娩和大范围辐射。但是，它们还必须奢侈复杂，以保合手其辐射器正确对都，以便与轨谈上的邻居进行通讯，而且系统必须具有奢侈的弹性，以便在单颗卫星发生故障后持续责任或快速收复。
它加多了一系列严格的条目。普遍的共鸣似乎是，打算中的星座需要基于重达500公斤的“小卫星”。这还不到EuropeanDataHighway中地球同步卫星5300公斤的十分之一，奢侈小，不错在一枚火箭上辐射几颗，以裁汰老本。SpaceX的Starlink卫星重达227公斤，将佩带四条中继链路，其中两条齐集到轨谈前后的卫星，另外两条齐集到其他轨谈上最近的卫星。掂量每个激光结尾重 7 至 15 公斤，它们将占 30 至 60 公斤，占卫星总和的八分之一至四分之一。电力、指向和追踪、胁制系统、鼓吹器和其他开导将占均衡。
大大都架构都需要从低地球轨谈到大地站的射频下行链路，因为无线电不错通过云和降水传递信号，这使得激光下行链路不成靠。Tesat 是一个例外，它提供 Tosiris 激光下行链路，不错将高达 10 Gbit/s 的速率传输到带有上行信标的大地站，以匡助锁定吸收器。Biller说，为了搪塞天气问题，他们在信号传输的区域装配了几个大地站，并让系统遴荐空气最表现的站点来吸收信号。该系统旨鄙人载卫星信息，因此上行链路只需要每秒几兆比特，而上行链路亦然通过激光传输的。图 4 比较了用于低轨谈到大地以及地球同步卫星之间的 Tesat 激光辐射器。
（图片由Tesat提供）
图4.图中浮现了Tesat激光结尾，其中（a）是用于低地球轨谈对地传输的10 Gbit/s TOSIRIS结尾，（b）是LCT135结尾，用于在相距最远80,000公里的地球同步卫星之间进行传输。
Cubesat通讯
由10 x 10 x 10厘米的模块拼装而成的卫星被称为“立方体卫星”，一直处于东谈主们的视野中，因为它们为激光导星说合等容颜提供了低价的天外通谈。他们还在禁受通讯测试。麻省理工学院天外通讯、天文体和辐射实践室的Kerri Cahoy小组还开发了一种器具，用于优化立方体卫星的指向激光束，将信标追踪过失裁汰到平均16微拉德。Tesat向一位身份不解的好意思国客户托福了一个360 g、9.5 × 9.5 × 3.25 cm 激光通讯结尾，粗略以 100 Mbit/s 的速率从近地轨谈传输到大地。
但是，立方体卫星的小尺寸肃除了它们在星座中的实用性。“立方体卫星在电力上是出了名的害羞，”Yarnall说，这是春联想辐射器和胁制系统以齐集到星座中其他卫星的肃除。Biller觉得，立方体卫星的通讯不错在低数据速率下用于地球不雅测或物联网（IoT）链路，但星座需要更大的“小卫星”。
打算和瞻望
一些首要打算的细节仍然拖拉不清。波音公司已向联邦通讯委员会（Federal Communications Commission）提交了一个由约3000颗低地球轨谈通讯卫星构成的星座打算，并投资了Bridgecomm（科罗拉多州丹佛市），这是一家为大地站和在1550纳米波段运行的低轨谈卫星提供激光通讯开导的制造商。亚马逊也曾提交了一个名为Project Kuiper Systems LLC的3,236颗卫星的打算，该卫星将在590、610和630公里处运行卫星，为活命在赤谈纬度不进步56°的行家95%的东谈主口提供工作。但是对于这两个大星座的其他细节很少。许多其他公司也在暗暗地制定建造开导或辐射激光齐集卫星的打算。
其他打算不触及激光。OneWeb（弗吉尼亚州麦克莱恩）打算建造一个由588颗低地球轨谈卫星构成的星座，其中49颗位于18个轨谈平面上，这些卫星将通过卫星将最终用户齐集到通过微波的大地网关，而无需卫星间齐集。OneWeb于2019年7月16日辐射了6颗测试卫星，并打算在2019年12月再辐射30多颗，并按时辐射更多卫星。
由于挂念军事通讯和行为过于依赖大型且脆弱的地球同步卫星，DARPA的Blackjack打算正在制定在低地球轨谈上建造行家高速网罗的打算。打算是建造一个更无邪、更有弹性的系统，不错哄骗生意本领，而且不依赖于地球同步轨谈上的几个诱东谈主打算。
用于低地球轨谈卫星的第一代商用激光通讯结尾正在开发中。“时期表很勤劳，”Cornwell说，但Mynaric但愿在2020年4月之前完成其10 Gbit/s激光结尾的认证，并在本年晚些时候运转分娩。Tesat打算于2020年在海外空间站上测试其10 Gbit/s Tosiris卫星结尾。信得过的硬件应该很快就会从分娩线高下线。翌日的5G网罗可能会使用这种容量。
很难肯定，所贪图中的大要20,000颗卫星都将辐射出去。另一方面，若是它们都以 10 Gbit/s 的速率运行，而且每个都传输一个信谈，则总容量约为 200 Tbit/s。这仅比太平洋轻缆中通盘六对光纤的144 Tbit/s容量大35%傍边，这是目下天下上单根光缆的最高容量。难怪康威尔说“翌日是太比特的速率”。
