卫星通信技术分析，卫星通信方式概述

• 杨兴杰 2023年8月21日 来源：中研网 1218 79
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卫星的通信方式主要可分为2种，包括使用电磁波进行通信，以及使用光进行通信。进一步细分又可分为微波通信、太赫兹通信、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、最常用的应用于空间的网络手段。

一、卫星互联网通信技术

卫星互联网的通信技术：按通信介质可分为电磁波通信和光通信。

卫星的通信方式主要可分为2种，包括使用电磁波进行通信，以及使用光进行通信。进一步细分又可分为微波通信、太赫兹通信、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、最常用的应用于空间的网络手段。太赫兹是电磁波的一种，相比于量子通信的通信速率，太赫兹通信的通信速率普遍更快。量子通信主要通过光进行信息传播，器件成熟度还未达到可工业使用的要求。

目前最成熟的通信方式是微波通信。微波通信在器件、算法等各方面的发展都已经较为成熟。但同时，微波通信也存在一些不足之处：1）长距离传输需要较高的功耗，传输速率也会受到限制。2）由于星际环境复杂多变，微波通信需要申请特定的频段，避免与相邻卫星通信频率重叠，以防止信号干扰。

激光通信技术日益成熟，在星间通信中的使用逐步增多。激光通信受益于地面的光纤通信对产业链的催化，其优势为传输速率高、无频段限制，且对其他任何星间通信不会造成干扰，但其对链路的建立过程有非常高的要求，一般只能一对一的传输。

二、微波通信：通信频段向高频拓展

1.卫星波束的覆盖形式

点波束（指向波束）：基于数字波束成形的指向波束，点波束总是指向用户。由于点波束功率远超宽波束，因此点波束能够实现更高效的调制和编码，具有每秒百兆比特的通信容量。

宽波束：固定指向，主要用于传输控制命令。宽波束间支持波束切换，宽波束较大的覆盖范围可以降低不同波束切换频率。

2.卫星使用微波通信搭载的设备组件

微波通信：微波通信将微波作为传输的介质，而无需使用固体介质。微波具有频率高、波长短的特点，在空气中直线传播，遇到障碍物会被反射或阻断。

三、激光通信：实现星间高速通信的重要方式

激光通信概述：卫星激光通信是利用激光光束在卫星间或者卫星与地面之间传递信号的方式。区别于微波通信，激光光束在空间中充当信息的传输载体。目前，空间激光通信系统主要使用半导体激光器作为光源，而激光通信系统的波长通常选择在0.8~1.0μ波段之间。

1.激光通信的技术优势

频带宽度大，链路通信容量较大；

波束发散角度小，方向性强，具备良好的抗干扰和防截获性能，系统安全性高；

设备之间没有微波信号干扰，无需申请空间频率使用许可证。然而，由于激光光束较窄，对准、捕获和跟踪是激光通信系统需要应对的重要问题。因此，激光跟踪技术是星际激光链路的关键技术之一。将微波通信技术和激光通信技术相结合已成为星座组网的主流，以满足大规模快速发展的卫星通信星座对更高的测量精度和更快的通信速率的需求。

2.激光通信：通信体制&捕获方式

通信体质：非相干通信&相干通信：空间激光通信共有两种最常用的通信体制，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国际上完成在轨关键技术验证，并开始了大规模的组网建设部署阶段。相比之下，在工程应用场景中，相干体制适用于链路距离较远且速率较高的情况，而非相干体制则适用于链路距离较近且速率较低的情况。

对准捕获方式：信标光&非信标光

“信标光+信号光”捕获方案是指激光通信终端使用单独的信标光。通过使用较宽的信标光束按照一定的扫描方式对不确定区域进行扫描。终端使用大视场的捕获探测器来监测接收信标光的质心位置，以实现对信标光的捕获和跟踪，进而将信号光引导至跟踪探测器接收视场，进行精确跟踪，最终实现激光建立通信链路。

“非信标光"捕跟方案则是指在工作过程中不使用信标光，直接使用信号光进行扫描，并通过对信号光进行分光，实现光通信终端之间的捕获和跟踪功能。

3.激光通信：关键组件可分为五类

激光通信一般都会包括以下关键组件：激光发射器、发射光学镜头、接收光学镜头、激光接收器、控制硬件。

激光发射器：用于生成和调制激光信号，可以是单个激光器，也可以是多个激光器，也可以是相控阵或泛光面阵等不同结构。激光发射器利用成熟的地面光纤技术，可以提高数据传输速率。

发射光学镜头：发射光学镜头是激光信号从发射器传输到自由空间需要一种装置，它可以是固定的镜头，也可以是可调节的镜头，也可以是可以旋转或者基于微机电系统（MEMS）的镜子。这些发射光学镜头的作用是控制激光束的方向、扩散角度和功率密度。

接收光学镜头：接收光学镜头用于将自由空间中的激光信号集中到接收器上的装置。它可以是固定的镜头，也可以是可调节的镜头，也可以是可以旋转或者基于微机电系统（MEMS）的镜子。接收光学镜头的功能是增加接收器的有效面积，降低背景噪声并提高信噪比。

激光接收器：激光接收器是一种用于探测和增强激光信号的装置，可以是单个探测器，也可以是多个探测器，也可以是阵列或相机等结构。激光接收器通常分为两种类型：直接检测（如PIN二极管）和外差检测（如雪崩二极管或单光子计数器）。

控制硬件：这种设备被用来管理发射器和接收器，处理激光信号，并维护通信链路等任务。通常，控制硬件由数字信号处理器（DSP）、激光驱动器、可变跨导放大器（TIA）等通信接口组成。

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