據(jù)測算，到2027年中國“GW”激光載荷市場規(guī)模將達(dá)約800億。

一、激光通信的技術(shù)發(fā)展趨勢

1.1 激光通信的技術(shù)優(yōu)勢及瓶頸

1.1.1 激光通信以其高帶寬、高安全性以及設(shè)備體積小等優(yōu)勢有望成為發(fā)展主流

激光通信的通信容量大，也即是傳輸速率更快。激光的頻率比微波要高許多，作為通信的載波有更寬的利用頻帶。目前無線激光通信工作頻段主要在365～326THz（對應(yīng)波長范圍光波長范圍多在820nm～920nm），設(shè)備間無射頻信號干擾。

從現(xiàn)有技術(shù)來說，光波作為信息載體可傳輸達(dá)10Gbit/s的數(shù)據(jù)碼率，采用名為波分復(fù)用技術(shù)的方法還能進(jìn)一步提高（將兩種或多種不同波長的光載波信號在發(fā)送端經(jīng)復(fù)用器匯合在一起，傳輸后在接收端經(jīng)分波器將各種波長的光載波進(jìn)行分離并恢復(fù)信號）。

激光通信的可靠性高，且保密性好。激光作為光源的發(fā)散角很小，能量集中在很窄的光束中。這意味著和鄰近衛(wèi)星間的通信干擾將會減小，避免了相互影響沖突，穩(wěn)定性增強(qiáng)，也就是所謂的可靠性高。而且這樣的光束具有高度的定向性，纖細(xì)而集中的發(fā)射波束指向接收機(jī)，可有效的提高抗干擾、防竊聽的能力，除非其通信鏈路被截斷，否則數(shù)據(jù)不易外泄，保密性好。

激光通信技術(shù)結(jié)合了無線電通信和光纖通信的優(yōu)點，以激光為載波進(jìn)行通信。激光通信技術(shù)具有抗干擾能力強(qiáng)、安全性高、通信速率高、傳輸速度快、波段選擇方便及信息容量大的優(yōu)勢，其特點是系統(tǒng)體積小、重量輕、功耗低、施工簡單、靈活機(jī)動，在軍事和民用領(lǐng)域均有重大的戰(zhàn)略需求與應(yīng)用價值。

激光通信相關(guān)的設(shè)備體積小、質(zhì)量輕、功耗低。激光的光束集中且攜帶信息量大，激光通信的能量利用率高，落在接收機(jī)望遠(yuǎn)鏡天線上的功率密度高，發(fā)射機(jī)的功耗低，發(fā)射功率也可大大降低，所以發(fā)射設(shè)備及其供電系統(tǒng)可以做的體積更小、重量更輕，更加便于衛(wèi)星等空間探測器攜帶。

另一方面，激光的波長短、穿透力強(qiáng)，方向性好且能量集中，這些優(yōu)點也使得接收望遠(yuǎn)鏡口徑可以減小，擺脫了無線電波通信系統(tǒng)巨大的碟形天線，接收系統(tǒng)也可以做的體積更小、重量更輕。這些也使得激光通信相關(guān)系統(tǒng)、設(shè)備的建造和維護(hù)費(fèi)用相對低廉。

表一：各種通信方式特點對比 

（資料來源：公開資料，本翼資本整理） 

1.1.2 激光通信光束易發(fā)散且易受大氣條件影響

窄波束的激光在長距離的傳播后會產(chǎn)生發(fā)散也是不可避免的。所以在越遠(yuǎn)的地方看到光源的亮度就越暗淡。

激光傳輸深受大氣吸收和散射、大氣湍流、以及背景光等因素的影響，其可靠性受到一定的挑戰(zhàn)。影響星地激光通信的主要因素有大氣吸收及散射、大氣湍流、背景光、云霧雨等，如圖1所示。大氣對激光的吸收主要是由于大氣分子和特定波長的激光相互作用產(chǎn)生的，大氣對激光的散射也與波長相關(guān)，可以由比爾-朗伯（Beer-Lambert）定律描述；大氣湍流是由于大氣溫度和壓強(qiáng)的變化產(chǎn)生的，會使信號的強(qiáng)度和相位重新分布，也即波前畸變，通常采用伽瑪-伽瑪（Gamma-Gamma）分布或者更為精確的雙參數(shù)威布爾（Weibull）分布來描述；背景光的影響來自于太陽、其他恒星、及散射光等；云霧雨主要從吸收和散射的角度來影響激光通信。針對上述各類因素，世界各國開展了理論研究，并進(jìn)行了多類地面演示試驗。

圖一：影響星地激光鏈路的主要因素

（資料來源：公眾號“衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)”，本翼資本整理）

1.2 激光通信的主要技術(shù)

隨著激光、光學(xué)和光電子元器件技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，激光通信技術(shù)不斷取得突破。按照系統(tǒng)功能劃分，激光通信技術(shù)主要分為捕獲跟蹤、通信收發(fā)、大氣補(bǔ)償、光機(jī)電設(shè)計以及系留氣球和平流層飛艇6類技術(shù)。 

1.2.1 捕捉跟蹤技術(shù)

激光通信技術(shù)借助光源的小發(fā)散角波束提供高功率增益，這對光束的捕獲跟蹤提出了比微波通信更高的要求。實現(xiàn)快速、大概率、大范圍的光束捕獲和穩(wěn)定的高帶寬、高精度光束跟蹤是激光通信瞄準(zhǔn)、捕獲、跟蹤技術(shù)研究的核心目標(biāo)。其中，光束捕獲采用激光瞄準(zhǔn)技術(shù)和粗/精跟蹤相獨立的體制，即粗跟蹤由大視場相機(jī)和伺服轉(zhuǎn)臺組成閉環(huán)，提供大范圍低頻帶伺服控制；精跟蹤由高幀頻相機(jī)和快速振鏡組成閉環(huán)，提供小范圍高頻帶伺服控制，從而有效抑制因光束大范圍運(yùn)動和高頻率抖動引起的光束擾動。

隨著激光技術(shù)的進(jìn)步，受益于激光光束智能變換、激光相控陣等新技術(shù)的逐漸發(fā)展成熟，將其應(yīng)用于激光通信技術(shù)的捕獲、瞄準(zhǔn)、跟蹤系統(tǒng)中，使傳統(tǒng)跟瞄模式發(fā)生改變，可提高空間光通信系統(tǒng)的跟瞄精度、速度和可靠性。同時，小型高效率激光器的出現(xiàn)也使跟瞄系統(tǒng)向小型化、輕型化和集成化發(fā)展。另外，可采用粗精復(fù)合高精度跟蹤，通過激光光束智能變換，在保證跟蹤性能的前提下，簡化激光通信跟瞄系統(tǒng)。

1.2.2 通信收發(fā)技術(shù)

激光通信技術(shù)需要激光器具有大調(diào)制帶寬、高發(fā)射功率和窄線寬等特點。具體來看，激光調(diào)制技術(shù)的調(diào)制方式可以分為直接調(diào)制和間接調(diào)制，由于直接調(diào)制方式使帶寬和發(fā)射功率受限，目前主要采用小功率種子激光源間接調(diào)制后通過高功率光纖放大器獲得高發(fā)射功率的方法進(jìn)行調(diào)制；根據(jù)作用光束的參數(shù)不同（如強(qiáng)度、頻率、相位等），可分為調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相等不同調(diào)制方式，由于不同波長系統(tǒng)相應(yīng)器件的差異，調(diào)制方式也有所差別。目前激光通信技術(shù)采用的激光波長主要有800nm、1000nm和1550nm3個波段，其中800nm波段的半導(dǎo)體激光器一般利用強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測（IM/DD），1000nm波段的Nd:YAG固體激光器可采用各種調(diào)制方式，而1550nm波段的半導(dǎo)體激光器與光纖通信系統(tǒng)兼容，可采用多種高速調(diào)制方式并利用摻鉺光纖放大器實現(xiàn)高速、高功率發(fā)射。

激光通信接收機(jī)的高速探測器均由光纖耦合以適應(yīng)高速探測器的小探測截面，并有利于系統(tǒng)集成化。因此，激光到光纖的耦合是激光通信接收部分的關(guān)鍵技術(shù)之一，其中對光纖高效率耦合主要受模式匹配、對準(zhǔn)偏差、菲涅爾反射、吸收損耗、平臺振動等影響?，F(xiàn)有的光纖耦合方法主要采用的是光學(xué)自適應(yīng)、錐形光纖、光纖章動等，尚未出現(xiàn)實質(zhì)性突破，光纖高效耦合技術(shù)仍是當(dāng)前激光通信系統(tǒng)的主要難題之一。

1.2.3 大氣補(bǔ)償技術(shù)

當(dāng)空間激光通信技術(shù)應(yīng)用在星地、空空和空地等鏈路時，激光在穿越大氣層的過程中受大氣湍流影響，在傳輸時會出現(xiàn)接收功率抖動，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)誤碼，這在高速激光通信中更加明顯。為解決這一問題，采用高精度實時波前畸變校正技術(shù)是抑制大氣湍流對傳輸光束波前影響的有效方法，即通過哈特曼傳感器進(jìn)行多孔徑波面探測，在一定程度上能夠矯正波前畸變。但該技術(shù)的主要難點在于激光到達(dá)角起伏補(bǔ)償、波面變形補(bǔ)償和空中飛行時附面層影響補(bǔ)償，可通過探測系統(tǒng)引入波前畸變補(bǔ)償鏡技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合校正。

近年來有關(guān)大氣信道的研究成果頗豐。例如，2018年開展的基于部分相干載波的大氣高速傳輸研究，由有源鎖模光纖激光器泵浦色散位移光纖而產(chǎn)生的超連續(xù)譜光源作為部分相干高速載波，在1km大氣湍流信道中，相比于相干光源，采用部分相干光載波源能有效抑制大氣湍流造成的光強(qiáng)閃爍。而后，證明了可將全光時分復(fù)用（OTDM）技術(shù)應(yīng)用在部分相干光通信系統(tǒng)中以提升傳輸速率，最高速率達(dá)到了16Gb/s。

1.2.4 光機(jī)電設(shè)計技術(shù)

為減小自由空間的功率損耗，提高發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)增益，需要通信光束以近衍射極限角發(fā)射。在保證發(fā)射光學(xué)口徑的基礎(chǔ)上，提高光束發(fā)射增益對光纖耦合技術(shù)、光束整形技術(shù)、望遠(yuǎn)鏡面型設(shè)計提出了更嚴(yán)格的要求。為突破近衍射極限角發(fā)射的關(guān)鍵技術(shù)、發(fā)射激光源的整形準(zhǔn)直技術(shù)和高效率光纖耦合技術(shù)，亟需通過激光技術(shù)的發(fā)展，研究光纖不同芯徑、束散角與光學(xué)系統(tǒng)匹配的優(yōu)化選取方法。

對于光學(xué)基臺技術(shù)，要求對光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行模塊化、輕量化設(shè)計，且能滿足未來空間激光通信網(wǎng)絡(luò)一點對多點動中通同時傳輸。與此同時，激光技術(shù)的廣泛應(yīng)用促成了多行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化，如基于激光技術(shù)的激光整形傳輸促成了元件的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化，降低了整機(jī)體積與成本。

1.2.5 系留氣球中繼技術(shù)

系留氣球是一種通過纜繩固定于地面，靠氣囊內(nèi)的浮升氣體獲得浮力的浮空器。其特點是可以在空中特定范圍內(nèi)實現(xiàn)定高、長時間駐留，具備搭載各種通信、偵察和探測等電子設(shè)備實現(xiàn)相應(yīng)任務(wù)功能的能力。

圖二：系留氣球中繼技術(shù)

（資料來源：基于浮空平臺的天地一體化網(wǎng)絡(luò)激光中繼設(shè)計，本翼資本整理）

該中繼方案能夠充分利用系留氣球平臺成本低，使用維護(hù)簡便的優(yōu)點，適合在短時間內(nèi)進(jìn)行大規(guī)模部署，以快速實現(xiàn)廣域的高速數(shù)據(jù)服務(wù)覆蓋。同時，系留氣球通過光纖與地理骨干節(jié)點之間直接建立高可靠的有線通信鏈路，有效克服了無線通信鏈路在低層大氣環(huán)境中不夠穩(wěn)定可靠的缺點。但是由于系留氣球仍工作在對流層，其激光中繼受大氣內(nèi)天氣現(xiàn)象的影響不能完全消除，且單個氣球由于通過線纜固定于地面，不具備機(jī)動能力，使用場景也受到了一定程度的限制。

1.2.6 平流層飛艇中繼技術(shù)

平流層飛艇是一種通過浮生氣體產(chǎn)生浮力，并帶有推進(jìn)系統(tǒng)，可連續(xù)在特定區(qū)域駐留的浮空平臺。相對于系留氣球平臺，平流層飛艇除了能夠長期定點懸停工作外，其最大特點在于還能夠跨區(qū)域進(jìn)行大范圍機(jī)動，能夠?qū)崿F(xiàn)廣域覆蓋。

圖三：平流層飛艇氣球中繼技術(shù)

（資料來源：基于浮空平臺的天地一體化網(wǎng)絡(luò)激光中繼設(shè)計，本翼資本整理）

平流層飛艇攜帶激光通信終端、微波通信設(shè)備工作在平流層底層，通過轉(zhuǎn)化成多路微波信號克服低空復(fù)雜氣象條件的影響，可完全克服低空復(fù)雜氣象條件干擾，長時可靠工作。在飛艇上部署激光通信終端，飛艇與衛(wèi)星之間通過空間激光鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，飛艇與地面之間通過微波鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與分發(fā)。本方案充分結(jié)合激光高速傳輸能力，以及微波大氣穿透性強(qiáng)的特點，實現(xiàn)天地數(shù)據(jù)的高速高可靠中繼。

相對于系留氣球平臺，平流層飛艇工作在對流層之上，與天基骨干網(wǎng)之間的激光鏈路更為穩(wěn)定可靠，且平臺本身具備大范圍機(jī)動的能力，能夠?qū)崿F(xiàn)長時間的廣域覆蓋。平流層飛艇的主要缺點在于成本較高，保障維護(hù)較為困難，在未來的天地一體化網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，需要根據(jù)實際場景需求，對兩種中繼平臺進(jìn)行合適的選擇。

1.3 激光通信技術(shù)的發(fā)展趨勢

激光通信的技術(shù)趨勢就是向高速率、網(wǎng)絡(luò)化、多用途以及一體化發(fā)展。

1.3.1 高速率

隨著空間激光通信高速調(diào)制解調(diào)和傳輸技術(shù)的快速發(fā)展，未來星地激光通信鏈路速率有望達(dá)到100Gb/s量級。高速激光通信采用高階調(diào)制方式如正交相移鍵控（QPSK）、正交振幅調(diào)制（QAM）和復(fù)用方式如波分復(fù)用（WDM）、時分復(fù)用（TDM）、軌道角動量復(fù)用（OAM），短距離（<1km）速率可達(dá)Tb/s量級。

1.3.2 網(wǎng)絡(luò)化

隨著全球化和信息技術(shù)的發(fā)展，亟需建設(shè)具有不依托地面網(wǎng)絡(luò)、無縫覆蓋全球、高帶寬和抗毀性能的空間網(wǎng)絡(luò)。因此，依托空間激光通信技術(shù)實現(xiàn)的天基寬帶傳送網(wǎng)絡(luò)是今后發(fā)展的重要趨勢。

空間激光通信技術(shù)逐漸從點對點模式向中繼轉(zhuǎn)發(fā)和構(gòu)建激光網(wǎng)絡(luò)的方向發(fā)展。由于激光網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的主要難點在于激光發(fā)散角小、光信號動態(tài)接入以及受空間環(huán)境影響大等，因此構(gòu)建激光通信網(wǎng)絡(luò)時，需突破“一對多”的激光通信技術(shù)難題、研究動態(tài)路由解決接入方案、尋求激光通信和微波聯(lián)合通信體制。長春理工大學(xué)提出的采用旋轉(zhuǎn)拋物面結(jié)構(gòu)設(shè)計一點對多點光學(xué)收發(fā)天線，實現(xiàn)多顆衛(wèi)星間激光通信組網(wǎng)，光學(xué)原理簡單，是探索解決這一難點的重大突破。

1.3.3 多用途

隨著空間激光通信技術(shù)的逐漸成熟，空間激光通信的高調(diào)制速率、遠(yuǎn)傳輸距離和低能耗的優(yōu)點逐漸凸顯。目前，空間激光通信技術(shù)已廣泛應(yīng)用于星間、星空、空空、空地等鏈路的寬帶數(shù)據(jù)傳輸，并逐漸向深空探測、水下和地面接入通信擴(kuò)展，用途越來越廣。

深空探測是人類對月球、遠(yuǎn)距離天體或空間開展的探測活動，是了解太陽系及宇宙，揭示宇宙起源與演變，拓展人類生存空間的必然選擇。月球探測工程的實施拉開了我國深空探測的序幕，隨后又實施了火星探測工程。水下無線光通信作為一種新興通信技術(shù)，具有容量大、帶寬高、保密性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢，已成為世界大國競相發(fā)展的一項重要通信技術(shù)。利用可見光進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的無線光傳輸技術(shù)兼具照明、通信和控制定位等功能，易與現(xiàn)有基礎(chǔ)照明設(shè)施相融合，且符合國家節(jié)能減排的戰(zhàn)略思想，逐漸成為未來智能時代超高速泛在光聯(lián)網(wǎng)的主要寬帶傳輸方法。另外，在一些無法鋪設(shè)光纜的特殊應(yīng)用場合，如海島之間、城市樓宇間、野外復(fù)雜環(huán)境等，空間激光通信技術(shù)可起到光纖通信技術(shù)所無法替代的作用。

1.3.4 一體化

由于激光在高速通信和精密測距方面具有優(yōu)勢，近年來激光測距與通信一體化技術(shù)越來越受到重視。激光測距與通信一體化設(shè)計是以高速通信為主，兼顧精密測距，使用同一束激光和硬件平臺實現(xiàn)測距和信息傳輸，進(jìn)而實現(xiàn)同一套設(shè)備完成測距和通信的雙重功能。2013年NASA的LLCD系統(tǒng)已經(jīng)成功實施月地高速激光通信與高精度測距的在軌演示驗證，測距精度達(dá)到3cm；2014年，北京遙測技術(shù)研究所完成了基于相干通信的測距和高速通信一體化的設(shè)計；2015年，長春理工大學(xué)提出了空間目標(biāo)測距、成像、通信一體化方案，其中激光通信信標(biāo)光發(fā)射/接收和激光測距光發(fā)射/接收共用一個光學(xué)天線。

此外，激光和微波通信技術(shù)的融合，也是目前學(xué)術(shù)研究的熱點，主要包括激光與微波收發(fā)融合、數(shù)據(jù)處理融合、微波信號的激光調(diào)制和產(chǎn)生等。目前，微波光子技術(shù)逐漸發(fā)展成熟，并已應(yīng)用于雷達(dá)信號的激光傳輸和處理，未來該技術(shù)也將在激光與微波融合通信系統(tǒng)中應(yīng)用。激光/微波混合傳輸?shù)闹饕枷胧峭ㄟ^在激光鏈路連接的兩個節(jié)點間建立額外的微波鏈路，在天氣惡劣的條件下使用微波鏈路進(jìn)行輔助傳輸來保障節(jié)點間通信不間斷。2006年，美國賓夕法尼亞州立大學(xué)的科學(xué)家進(jìn)行了空載激光/微波混合傳輸?shù)脑u估研究。研究發(fā)現(xiàn)激光鏈路受云層影響較大，主要是由于云顆粒帶來的衰減及散射，但當(dāng)微波鏈路引入后可以大幅提升整體鏈路的可用度。

通常的激光/微波混合傳輸方式為激光鏈路可以通時采用激光傳輸，無法通時改為微波鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。該種方法不僅不能有效利用整體信道帶寬，在激光和微波鏈路進(jìn)行切換的過程中也容易帶來不必要的傳輸中斷。2009年弗吉尼亞大學(xué)的科學(xué)家提出了一種符號率自適應(yīng)聯(lián)合編碼方案，使得微波鏈路和激光鏈路同時高效工作。2010年馬薩諸塞大學(xué)的科學(xué)家提出了混合信道碼，通過利用非均勻碼及速率兼容LDPC碼，在提升通信容量的同時達(dá)到了電信級的可靠性（99.999%）。

二、激光通信的應(yīng)用前景

2.1 現(xiàn)狀——由于激光在大氣中傳輸?shù)募夹g(shù)尚未成熟，目前激光通信主要在星間應(yīng)用

激光通信技術(shù)的主要應(yīng)用場景有星間、星空、星地、空空、空地與地地這六大激光通信，并逐漸向深空探測、水下通信擴(kuò)展，用途越來越廣。由于激光通信鏈路具有通信速率高、方向性強(qiáng)、保密性好、組網(wǎng)靈活以及終端體積小、重量輕、功耗低等特點，而且在大氣中尚未突破技術(shù)瓶頸，所以目前在星間大量使用。

星鏈計劃計劃發(fā)射42000顆衛(wèi)星，現(xiàn)已基本完成第一軌道層的組建工作。但星鏈計劃過去對激光通信不是很感興趣，只有幾十顆衛(wèi)星裝備了激光鏈路，但是國外的技術(shù)積累更多，而且激光通信優(yōu)點很多，是大趨勢，馬斯克也發(fā)文稱2022年發(fā)射的所有starlink衛(wèi)星都將配備激光星間鏈路。。

2017年，我國新一代高軌技術(shù)試驗衛(wèi)星實踐十三號搭載的激光通信終端，成功進(jìn)行了國際首次高軌衛(wèi)星對地高速激光雙向通信試驗。LaserFleet為「行云二號」01星（武漢號）和「行云二號」02星研制的低軌物聯(lián)網(wǎng)星間激光通信載荷技術(shù)得到成功驗證，實現(xiàn)了建鏈流程完整、遙測狀態(tài)穩(wěn)定的雙向通信。我國衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)星座實現(xiàn)了星間激光通信零的突破。

2.2 發(fā)展趨勢——激光星間鏈路仍為主要應(yīng)用場景，星地鏈路有望突破

2.2.1 星間激光鏈路是激光通信的主要應(yīng)用場景

隨著社會的發(fā)展和科技的進(jìn)步，人們對空間資源的利用需求日益增加，許多國家和機(jī)構(gòu)都提出了自己的空間計劃，其中比較知名的包括已經(jīng)建成的銥星、先進(jìn)極高頻（AEHF）等空間組網(wǎng)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，以及一網(wǎng)（OneWeb）、星鏈（Starlink）等低軌互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星星座。為了維護(hù)國家安全與促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)，我國也提出了構(gòu)建天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的計劃，并取得了一系列的研究成果。

由于中美科技戰(zhàn)，中國5g技術(shù)被卡脖子，中美都要在6g的研發(fā)應(yīng)用上大力發(fā)展，美國SpaceX計劃發(fā)射四萬多顆衛(wèi)星形成空間互聯(lián)網(wǎng)；英國政府也收購了一網(wǎng)；加拿大政府為telesat提供政策和財政支持。中國對空間互聯(lián)網(wǎng)也非常重視和支持，提出了GW計劃。

 圖四：星間激光通信示意圖

（資料來源：公開資料，本翼資本整理）

（1）低軌道衛(wèi)星發(fā)展前景廣大，助力激光通信擴(kuò)大市場

衛(wèi)星根據(jù)軌道高度的不同呈現(xiàn)不同的特點。按照軌道高度，衛(wèi)星主要分為低、中、高軌三大類。從細(xì)分來看，衛(wèi)星可分為低軌道衛(wèi)星(LEO)、中軌道衛(wèi)星(MEO)、地球同步軌道衛(wèi)星(GEO)、太陽同步軌道衛(wèi)星(S)和傾斜地球軌道衛(wèi)星(IGSO)。其中，低軌衛(wèi)星擁有傳輸時延小、鏈路損耗低、發(fā)射靈活等優(yōu)勢，非常適合衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展。

表二：衛(wèi)星根據(jù)軌道高度分類呈現(xiàn)不同的特點

（資料來源：公開資料，本翼資本整理） 

以往，通信衛(wèi)星主要停留在地球同步軌道。該軌道運(yùn)行周期等于地球自轉(zhuǎn)周期，不考慮軌道攝動時，在地球同步軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星每天相同時刻經(jīng)過地球上相同地點的上空，對地面觀測者而言，每天相同時刻衛(wèi)星出現(xiàn)在相同的方向上，這樣它們相對于地面基站來說就是穩(wěn)定的，能夠確保提供連續(xù)服務(wù)，并且軌道高度高，覆蓋范圍也廣。但地球同步軌道衛(wèi)星由于軌道資源有限，只能在一個擁擠的環(huán)境下工作。隨著地球同步軌道衛(wèi)星的增多，這條軌道已經(jīng)變得越來越擁擠。（注：兩顆衛(wèi)星之間必須保持1000公里以上的距離，以避免出現(xiàn)碰撞和干擾）。而且地球同步軌道衛(wèi)星的時延大，一般為500ms，新興低軌通信星座大都能夠?qū)崿F(xiàn)50ms以內(nèi)的時延，且低軌衛(wèi)星觀測清晰傳輸快，成本也較其他衛(wèi)星更低，發(fā)射選擇更多樣，所以低軌衛(wèi)星在衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)中尤為重要。

2019年和2020年全球共發(fā)射2370顆衛(wèi)星，其中1929顆都是低軌道衛(wèi)星，衛(wèi)星距離地面越近越能夠提高載光學(xué)傳感器的分辨率、輻射性能和地理空間精度，還可以減少衛(wèi)星所需的有效載荷大小，從而降低衛(wèi)星運(yùn)行成本。這也是星鏈在300多km軌道上布局7000多顆衛(wèi)星的原因（見表4）。

表三：2019-2020年衛(wèi)星發(fā)射統(tǒng)計表

（資料來源：航天愛好者網(wǎng)，本翼資本整理） 

（2）低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)具有緊迫性，主要在與軌道和頻譜資源的爭奪

① 低軌軌道資源未來會面臨短缺。根據(jù)測算，地球的近地軌道總共只能容納大約6萬顆衛(wèi)星。Starlink目前已經(jīng)規(guī)劃了4.2萬顆衛(wèi)星，未來將占用大量的地球極低軌道和近地軌道。Oneweb雖3月已申請破產(chǎn)，但仍向美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）申請了近4.8萬顆衛(wèi)星，地球近低軌道已經(jīng)不堪重負(fù)。且在FCC的規(guī)則中，拿到衛(wèi)星許可證的廠商，需要在6年時間發(fā)射50%的獲得許可衛(wèi)星，9年時間發(fā)射全部衛(wèi)星，除非得到豁免，兩家公司的發(fā)射壓力也十分巨大。

表四：國際主要星座計劃

（資料來源：公開資料，本翼資本整理） 

②頻譜爭奪：由于信號在不同頻段傳播損耗不同，因此選擇合適的信號傳輸頻率非常重要。根據(jù)國際電信聯(lián)盟制定的《無線電規(guī)則》，對信號頻率的占用采用“先到先得”的原則。通常在衛(wèi)星信號傳輸中，0.3-10GHz頻段，損耗最低，30GHz頻段附近，損耗也相對較小。

表五：衛(wèi)星頻段表

（資料來源：公開資料，本翼資本整理） 

C頻段使用比較早，多用于地球靜止軌道上的衛(wèi)星通信，頻率低，增益低，但是抗干擾能力強(qiáng)，比較適合對通信質(zhì)量有嚴(yán)格要求的業(yè)務(wù)，比如電視、廣播數(shù)據(jù)傳輸。目前C頻段已經(jīng)飽和。

Ku頻段，頻率高，增益高，天線尺寸要求比較小，方便小型地面接收設(shè)備使用，是衛(wèi)星通信的黃金頻段，目前可用頻段資源也相對枯竭。

Ka頻段，相對Ku波段來說，雨衰會更大，但頻率更高，可用頻段帶寬也更大，適合高速衛(wèi)星通信，當(dāng)然，對信號接收器件的要求也更高。由于C頻段和Ku頻段資源日漸枯竭，所以Ka頻段近十年來發(fā)展非常迅速。而且Ka頻段在軍事方面應(yīng)用也非常廣泛。

（3）星鏈計劃與中國國網(wǎng)計劃對比

SpaceX公司已經(jīng)獲得約12000顆衛(wèi)星的發(fā)射許可，又提出申請要發(fā)射30000顆衛(wèi)星。截至2021年5月27日，星鏈成功發(fā)射了第28批1.0版星鏈，星鏈星座第一個軌道層已經(jīng)完成，達(dá)到1628顆衛(wèi)星。這個軌道層高度為550公里，傾角53°，由72個平面組成，總計需求1584顆衛(wèi)星（最先計劃為1440顆）。第一個軌道層衛(wèi)星完成后，將可以實現(xiàn)覆蓋南北緯52°區(qū)間區(qū)域，占全球表面積的約80%。

表六：星鏈計劃衛(wèi)星規(guī)劃

（資料來源：公開資料，本翼資本整理） 

星鏈成功組網(wǎng)后，可以實時監(jiān)測全世界范圍的情況，中國組建自己的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)迫在眉睫。出于軌道與頻譜爭奪以及國家安全的考慮，中國“GW”在2020年9月份向國際電信聯(lián)盟（ITU）遞交了頻譜分配檔案。檔案中曝光了兩個名為GW-A59和GW-2的寬帶星座計劃，其計劃發(fā)射的衛(wèi)星總數(shù)量達(dá)到12992顆。根據(jù)國際電信聯(lián)盟（ITU)公開的資料信息，“GW”星座的申請被正式接收的日期是2020年11月9日。

“GW”星座總共包含2個子星座，軌道高度也分為兩組（見下表）。GW-A59子星座的衛(wèi)星分布在500km左右的極低軌道，GW-2子星座的衛(wèi)星分布在1145km的近地軌道。兩組衛(wèi)星的軌道傾角分布在30°-85°之間。

表七：中國GW衛(wèi)星星座計劃

（資料來源：公開資料，本翼資本整理） 

通過"GW"星座與Starlink的規(guī)劃可以看出，他們有很多相似的地方。兩者衛(wèi)星數(shù)量都非常驚人，軌道高度都分為兩組，一組極低軌道，和一組近地軌道，軌道傾角也都分布在30-85°之間，兩者都是可以覆蓋全球的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)。

SpaceX的“星鏈”所占用的頻率就主要分布在Ku、Ka這兩個黃金頻段上?！癎W”的這幾個傳輸頻段，分別分布在Ka頻段和V頻段上，是目前能申請到的相對較好的頻段，不過相對于SpaceX所占用的Ku和Ka頻段，還是有些吃虧。不過V頻段，由于具有更高的頻率，將有利于發(fā)展更高的網(wǎng)絡(luò)帶寬，也許也有這方面的考慮。根據(jù)國際電信聯(lián)盟的規(guī)則，申請了相關(guān)頻率的單位，必須在7年內(nèi)完成衛(wèi)星發(fā)射和信號驗證，才能真正擁有該頻率的使用權(quán)。所以“GW”星座必須在2027年11月9日之前完成以上工作。

綜上，我國幾年內(nèi)還將以“國家隊”為主布局低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，也受軌道和頻譜的資源限制，近地軌道只能容納約6萬的衛(wèi)星，現(xiàn)已基本規(guī)劃成型。星鏈計劃和我國的“GW”星座都預(yù)計最晚2027年完成計劃，可以預(yù)測屆時地球近地軌道將有約6萬顆衛(wèi)星。

（4）得益于低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，激光通信擁有廣闊的市場發(fā)展前景

激光通信更加安全的特性，使其更加吸引要求高數(shù)據(jù)安全性的政府和銀行等用戶。馬斯克預(yù)計2022年發(fā)射的所有starlink衛(wèi)星都將配備激光星間鏈路。除此之外，美國宇航局計劃在下個月發(fā)布一個新型激光通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)將能夠讓數(shù)據(jù)在地球和太空之間，用更快的速度傳輸。中國的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)也將激光通信作為重要的通信方式，下圖是未來地面終端+衛(wèi)星“天地一體”通信方式的示意圖，我國短期可能將會以微波+激光結(jié)合的通信方式傳輸信息，但長期隨著信息傳輸量的加大，微波由于其低帶寬、低傳輸量以及激光通信技術(shù)的不斷迭代終將被淘汰。

圖五：我國未來地面終端+衛(wèi)星“天地一體”通信方式的示意圖

（資料來源：公開資料，本翼資本整理）

除此之外，激光通信不受國際電信聯(lián)盟的監(jiān)管，可以不受限制地使用，不需要昂貴的許可證。在發(fā)射衛(wèi)星之前，如果采用射頻通信技術(shù)就必須從想要發(fā)送射頻波束的每個國家申請許可證并支付與每個許可制度相關(guān)的費(fèi)用。激光通信不受國際電信聯(lián)盟的監(jiān)管，可以不受限制地使用，不需要昂貴的許可證。原因是其固有的小尺寸避免了干擾問題，并使未來不太可能進(jìn)行任何限制性監(jiān)管。因此激光通信技術(shù)在星間的應(yīng)用也會使頻譜資源的爭奪放緩，未來甚至不需再去申請頻譜已發(fā)射衛(wèi)星。

故此，在低軌衛(wèi)星的不斷成熟和發(fā)展下，激光通信作為衛(wèi)星間的信息傳輸方式，將發(fā)揮重要作用。

（5）微波短期仍為中高軌中繼衛(wèi)星通信主流，激光通信未來或能大量使用

中繼衛(wèi)星系統(tǒng)是指利用地球同步軌道（GEO）衛(wèi)星為高動態(tài)、大范圍、高速率的各類低軌用戶提供數(shù)據(jù)中繼服務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，是建立天基信息網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分?？臻g激光通信具有大帶寬、高速率、高保密、體積小等特點隨著國內(nèi)外各類天基信息系統(tǒng)的建設(shè)提速，高軌衛(wèi)星作為星間數(shù)據(jù)中繼節(jié)點，傳輸容量需求日益增長。激光通信鏈路能夠充分滿足中繼衛(wèi)星的功能要求，是實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)中繼業(yè)務(wù)的可行途徑。

國外在軌運(yùn)行的高軌衛(wèi)星激光鏈路以ESA“歐洲數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)（EDRS）”為典型代表。EDRS系統(tǒng)是迄今為止唯一在軌商業(yè)化運(yùn)行的激光星間鏈路，為低軌航天器用戶提供數(shù)據(jù)中繼服務(wù)。

但高軌衛(wèi)星激光通信技術(shù)技術(shù)沒有低軌衛(wèi)星成熟，目前暫時不是國家規(guī)劃重點，而且由于高軌衛(wèi)星本身對傳輸時效性要求不強(qiáng)，微波傳輸短期內(nèi)可能不會被淘汰。所以盡管激光通信在高軌衛(wèi)星中應(yīng)用，但市場前景沒有在低軌星座中強(qiáng)。因此激光通信會更多受益于未來低軌空間互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，會擁有更廣闊的應(yīng)用空間。

2.2.2 星地激光通信技術(shù)有望突破，星間鏈路成功建成后，地面站數(shù)量可能會減少

因還沒能突破激光在大氣中的傳播技術(shù)，目前星地通信的主要傳輸方式還是微波，但國內(nèi)各個研究所都在研究激光技術(shù)的改進(jìn)方案，屆時將使星間激光通信成為可能。

但同時專家指出，若成功打通星間鏈路，地面站的建設(shè)就不需那么多；如果星間鏈路未能沒打通，可能一顆星基本就要設(shè)一顆地面站，地面站的規(guī)模反而更大。此外，地面站的建設(shè)還存在土地等資源的審批問題，建設(shè)周期也很長，所以專家預(yù)測未來可能會以少建地面站為前提將星間鏈路打通。因此星地激光鏈路的空間可能沒有想象中的大。

2.3 國網(wǎng)激光通信終端的市場規(guī)模測算

2015年，SpaceX公司提出Starlink計劃，18年發(fā)射測試衛(wèi)星。目前暫時還沒有GW關(guān)于衛(wèi)星發(fā)射的計劃，本報告同時結(jié)合星鏈?zhǔn)着渴饡r間和國際電聯(lián)的規(guī)則預(yù)測，中國國網(wǎng)可能2023年才能正式開始發(fā)射衛(wèi)星。

假設(shè)：

1. 每年衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量：去年受疫情影響，星鏈計劃發(fā)射了833顆衛(wèi)星，今年星鏈5個月已經(jīng)發(fā)射了13批次1.0版星鏈，累計約673顆衛(wèi)星，按此比例，星鏈今年能發(fā)射1615顆衛(wèi)星，能夠負(fù)擔(dān)31枚火箭的產(chǎn)能。中國因需在2027年11月之前將12992顆衛(wèi)星部署完畢，時間緊迫，所以一定會以最大產(chǎn)能發(fā)射衛(wèi)星，假設(shè)國網(wǎng)能在2023年產(chǎn)能和技術(shù)水平達(dá)到現(xiàn)在星鏈的同等水平，且2035年實現(xiàn)產(chǎn)能增加一倍，才能在2027年之前將衛(wèi)星部署完畢。

2. 每顆衛(wèi)星上激光終端數(shù)量：一個衛(wèi)星一般有4套激光發(fā)射接收終端，有3個可能是作為備份，1個是正常使用，且隨著技術(shù)的進(jìn)步未來一個衛(wèi)星的終端數(shù)量可能是會下降的，但衛(wèi)星型號一旦定型以后，它更改的可能性不是很大。本文認(rèn)為，出于性能穩(wěn)定以及國家對成本控制要求不高的考慮，在5年內(nèi)轉(zhuǎn)變型號的可能性不大，所以預(yù)計每個衛(wèi)星會搭載4套激光終端。（但激光終端的數(shù)量應(yīng)該在2～4個左右，最大的情況是4個）

3. 激光終端價格：目前中國一個激光終端的價格要在三四百萬，但隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷加大，激光終端價格也會大幅下降，后期可能會降到100多萬。所以本文假設(shè)今年一個終端的價格為350萬，可能到2030年已經(jīng)下降到300萬左右，之后每年下降，可能到2026年就可以達(dá)到預(yù)測的最低成本價150萬。

據(jù)測算到2027年，激光載荷市場規(guī)模將達(dá)到近800億。

表八：衛(wèi)星發(fā)射及近地軌道激光發(fā)射接收終端需求數(shù)量測算（單位：萬元）

（資料來源：公開資料，本翼資本整理） 

2.4 案例1：Mynaric德國激光通信終端制造商

2.4.1 歷史沿革

Mynaric成立于2009年，由德國航空航天中心（DLR）的前員工創(chuàng)建，其目標(biāo)是將數(shù)十年的無線激光通信應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的經(jīng)驗商業(yè)化。

從2012年開始，Mynaric Lasercom GmbH（前Vialight Communications GmbH）與客戶合作演示空對地和空對空場景，以推進(jìn)技術(shù)進(jìn)步并實現(xiàn)產(chǎn)品級成熟度。從那時起，Mynaric公司迅速在機(jī)載無線激光通信領(lǐng)域建立了國際聲譽(yù)，并擴(kuò)大了市場范圍，吸納了眾多世界級的客戶和供應(yīng)商。

2016年，Mynaric擴(kuò)大了業(yè)務(wù)，并在北美設(shè)立了辦事處，為美國和加拿大的客戶提供服務(wù)。總部位于美國亨茨維爾的Mynaric USA，Inc.（前Vialight Space Inc.）為美國客戶提供特殊項目和必要的產(chǎn)品改進(jìn)支持。美國分部積極參與Mynaric專門為近地軌道衛(wèi)星星座開發(fā)的空間終端的開發(fā)。

2017年，Mynaric繼續(xù)其發(fā)展道路，在德國證券交易所上市，以籌集增長資本進(jìn)入批量生產(chǎn)。

2019年，Mynaric USA搬遷至洛杉磯，以便更接近美國的主要客戶。Mynaric USA的舉措還啟動了北美主要市場的擴(kuò)張計劃，其中包括僅從美國境內(nèi)采購的電子產(chǎn)品和軟件。

2020年，CONDOR和鷹航空終端的第一批機(jī)組可供商業(yè)客戶使用。蒂娜?加塔奧雷（Tina Ghataore）出任Mynaric USA首席商務(wù)官，美國分公司在大西洋彼岸開設(shè)了新的和擴(kuò)建的設(shè)施，以監(jiān)督美國境內(nèi)采購的電子產(chǎn)品和軟件的開發(fā)。Mynaric贏得了第一份美國政府合同，并將根據(jù)與美國國防機(jī)構(gòu)的兩份合同交付CONDOR衛(wèi)星間鏈路終端的多個單元。

2.4.2 產(chǎn)品

CONDOR飛行終端：Mynaric的CONDOR飛行終端旨在將單個衛(wèi)星以及位于低地球軌道上的數(shù)百顆甚至數(shù)千顆衛(wèi)星組成的整個星座互聯(lián)互通。它能夠提供進(jìn)出地面的超高寬帶連接，它們是大規(guī)模和全球連接概念的關(guān)鍵要素，例如在地面提供互聯(lián)網(wǎng)接入的低地軌道衛(wèi)星星座和地球觀測衛(wèi)星，它們需要能夠以成本的一小部分在更短的時間內(nèi)將更多數(shù)據(jù)下游化。

圖六：Mynaric的CONDOR飛行終端

（資料來源：Mynaric官網(wǎng)，本翼資本整理）

平臺間鏈接：平臺間鏈接提供了構(gòu)成高空星座的眾多無人機(jī)或氣球之間的高速連接。它們是星座的數(shù)據(jù)高速公路——所謂的“骨干”——同時處理數(shù)百到數(shù)千名最終用戶的匯總數(shù)據(jù)。在移動的平臺上建立連接需要非常高的指向精度——相當(dāng)于擊中從一英里外從口袋里掉出來的硬幣。

圖七：Mynaric的平臺間鏈接

（資料來源：Mynaric官網(wǎng)，本翼資本整理）

地面站：飛機(jī)、氣球和無人機(jī)發(fā)送的激光通信信號由緊湊的空間光學(xué)地面站接收。光學(xué)地面站非常小，可以安裝在面包車上，可以隨時進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，甚至可以坐在建筑物屋頂上連接到現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施。

圖八：Mynaric的地面站

（資料來源：Mynaric官網(wǎng)，本翼資本整理）

地面空間站：空間光學(xué)店面站接收來自地球觀測任務(wù)或衛(wèi)星星座的激光通信信號，通常將其反饋給現(xiàn)有的地面網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)一步分發(fā)。他們需要在幾秒鐘內(nèi)與空間中的對應(yīng)方建立可靠的聯(lián)系，因為低地球軌道上的衛(wèi)星通常只能在固定位置看到幾分鐘。

圖九：Mynaric的地面空間站

（資料來源：Mynaric官網(wǎng)，本翼資本整理） 

2.4.3 財務(wù)情況

2020年，Mynaric報告年度收入增長52.9%，達(dá)到67.9萬歐元（上一年度：44.4萬歐元），在美國市場的收入大幅增長。該公司的訂單情況與上一年相比又有了很大改善。公司有資格獲得一定的政府補(bǔ)助金，用于資助開發(fā)活動和解決方案方法方面的創(chuàng)新工作。2020年政府補(bǔ)助增加到29.5萬歐元（上一年度：14萬歐元）。

 圖十：Mynaric利潤表

（資料來源：2020年Mynaric年報，本翼資本整理）

Mynaric的CONDOR客戶將在2021年上半年收到設(shè)備，并將繼續(xù)與機(jī)載領(lǐng)域的主要客戶合作，確定激光通信在無人機(jī)上大規(guī)模使用的部署路線圖。

圖十一：Mynaric收入情況

（資料來源：2020年Mynaric年報，本翼資本整理）

2021年Mynaric的生產(chǎn)目標(biāo)是實現(xiàn)每年三位數(shù)的產(chǎn)品產(chǎn)量。2020年已經(jīng)為實現(xiàn)2021年的生產(chǎn)目標(biāo)奠定了基礎(chǔ)。產(chǎn)品也將在2021年成熟，將以最快的速度改進(jìn)機(jī)載和星載終端的第一個版本。Mynaric將重點轉(zhuǎn)向外部，致力于在大西洋兩岸開展更多的業(yè)務(wù)發(fā)展活動和培養(yǎng)團(tuán)隊。

2.5 案例2:TESAT德國激光通信終端制造商

2.5.1 歷史沿革

1971年，簽署了國際通信衛(wèi)星組織的第一個空間項目；

1989年，TESAT成為德國電信科珀尼庫衛(wèi)星主要承包商；

2006年：TESAT成為德國國防軍第一顆衛(wèi)星SAR-Lupe的主要供應(yīng)商；

2013年，TESAT為Alphasat提供第一個光學(xué)中繼有效載荷；

2014年，利用Alphasat建立第一個GEO-/LEO-ISL（地球同步軌道-低軌星間鏈路），距離為4萬公里；

2018年，TESAT建立了超過1萬個在太空的激光鏈接；

2019年，第一個CubeLCT生產(chǎn)、測試并交付給客戶。

2.5.2 產(chǎn)品

TESAT可以為不同的需求提供合適的激光終端。LCT135可以在高達(dá)80,000公里的距離上傳輸高達(dá)1.8 Gbps，安全、快速且完全無故障。通過這種地球靜止骨干，TESAT技術(shù)使全球數(shù)據(jù)能夠近實時傳輸。對于低地球軌道（LEO）的應(yīng)用，有SmartLCT，它可以部署在更小、更輕的衛(wèi)星上，節(jié)省巨大的重量和尺寸。SmartLCT在保持高達(dá)1.8 Gbps的高數(shù)據(jù)速率的同時，在長達(dá)45,000公里的距離上傳輸數(shù)據(jù)，重量僅為30公斤左右。

對于更小的衛(wèi)星，TESAT的激光組合提供TOSIRIS和CubeLCT，它們可以以10 Gbps（TOSIRIS）或100 Mbps（CubeLCT）的速度傳輸直接到地球的數(shù)據(jù)。特別令人印象深刻的是相關(guān)的體重減輕。已經(jīng)很小的TOSIRIS只有8公斤，而邊緣長度只有10厘米的CubeLCT只有360克。開創(chuàng)性的特點是，TESAT LCT已經(jīng)幫助將衛(wèi)星的接收能力提高高達(dá)50%，因為可以在更短的時間內(nèi)傳輸更多數(shù)據(jù)。這使得在短短5天內(nèi)重新記錄整個全球陸地（1.5億平方公里），同時在不到15分鐘內(nèi)將其提供。

表九：TESET產(chǎn)品特性對比

（資料來源：TESET官網(wǎng)，本翼資本整理） 

圖十二：TESET激光通信終端產(chǎn)品

（資料來源：TESET官網(wǎng)，本翼資本整理）