激光通信能够实现超高速、安全的数据传输。随着该技术逐渐成熟并开始规模化应用，它正深刻改变卫星星座、科学任务以及国防行动的形态。

2024年9月，《纽约时报》报道了一次引人瞩目的飞行任务：一艘SpaceX太空舱搭载两名私人宇航员完成了首次商业太空行走等多项壮举。文章的最后一句尤其值得注意：“他们还测试了Crew Dragon与SpaceX星链（Starlink）互联网卫星星座之间的激光通信。”

迄今为止，大多数在轨卫星仍通过无线电波或微波进行信息收发，所使用的频段主要位于3-31 GHz之间（超高频），覆盖S波段至Ka波段。运营着目前全球最大卫星星座的Starlink公司，则获准使用40-50 GHz的V波段频率。

频率越高、波长越短，单一信号所能承载的数据量就越大。从这一点看，向激光通信的转变具有颠覆性意义。约1.5 μm的电信激光波长，其对应频率比Ka波段无线电波高出约1万倍。用于该波段的激光器和电子器件已实现大规模商用，技术成熟度极高。

尽管激光通信终端（Laser Communication Terminals，LCT）经历了数十年的发展才走向成熟，但如今这一技术已经真正“到位”。其发展过程中面临过诸多重大技术挑战，例如指向精度问题——要用极窄的激光光斑命中一颗以约3万 km/h速度飞行的卫星并非易事。然而这一难题已被解决，且激光光斑直径小的特性反而成为优势：相比无线电波，激光通信更难被窃听。

当然，也仍存在新的技术挑战，如反作用飞轮和太阳翼运动引起的微振动等问题。即便如此，NASA仍用一句话概括了LCT的核心优势：“与同类射频系统相比，它重量更轻、功耗更低、占用空间更小。”

LCT的研发始于20世纪70年代。要使其成为如今可直接部署的成熟产品，需要激光技术等多个关键领域取得重大进展。

激光源是LCT的核心组件之一，此外还包括：

• 光束指向与跟踪系统；

• 用于发射和接收光信号的望远镜；

• 将光信号转换为电信号的探测器。

星载激光源通常在近红外波段工作，典型波长为1064 nm或1550 nm。光束指向与跟踪系统确保激光即使跨越数万公里，也能精确对准接收端。

粗指向通常由万向架完成，其精度优于1°；精指向系统则补偿振动、抖动及相对运动，实现微弧度级对准精度。压电器件（piezos）常用于实现这种高速、微弧度级的精细控制。为辅助指向和跟踪，还可使用信标光束。

望远镜是LCT中体积最大的部件，其口径直接决定系统整体尺寸和通信距离。即便是激光束，在长距离传播中也会发生发散。因此，用于地球同步轨道（GEO）卫星的LCT望远镜必须大于仅用于近地轨道（LEO）卫星间链路（距离仅数百公里）的系统。基于不同应用需求，主要LCT供应商已开发出多种不同尺寸和性能等级的产品。

在接收端，雪崩光电二极管（APD）和先进的单光子探测器将光信号转换为电信号；随后由数据处理单元完成调制、纠错和加密，确保通信的可靠性与安全性。

在建立链路时，发射终端通常采用螺旋扫描方式。通过初始的随机“命中”，系统逐步计算出最佳指向方向。其核心挑战在于协调多个不同的惯性与参考坐标系：粗、精指向镜；地球、太阳；以及收发卫星的轨道位置与姿态——每一个都拥有自身的坐标体系。

首个星间激光链路于2001年11月建立，当时欧洲地球同步轨道卫星Artemis与地球观测卫星SPOT 4成功实现通信。该系统采用60 mW激光二极管和25 cm口径望远镜，实现了50 Mbit/s的数据速率，总质量160 kg，功耗150 W。

LCT在发展早期便被应用于国防领域。2008年2月，德国研制的LCT搭载于美国导弹防御局的NFIRE卫星，用于加速导弹跟踪信息的远距离传输。

NASA于2013年启动了月球激光通信演示任务（LLCD），在LADEE探测器与地面三座终端之间，成功演示了在38.5万公里距离上实现最高622 Mbps的通信速率。

NASA月球激光通信演示（LLCD）光学模块的计算机渲染图。该光学模块包含一个0.5瓦的激光发射器，安装在LADEE航天器外部，由一个安装在双轴万向节上的直径4英寸的望远镜组成。整个系统重约65磅。

同年，GEO轨道的Alphasat发射，用于演示GEO-地面及GEO-LEO激光链路。2014年，国际空间站上的OPALS载荷测试成功，仅用7秒就下传了一段1969年阿波罗11号登月视频，而同样内容通过传统无线电链路需约12小时。

随后，LCT被集成到Sentinel-1/2（LEO）和欧洲数据中继卫星EDRS-A/C（GEO）中，构成“空间数据高速公路”。LEO与GEO之间超过3.5万公里的星间链路完全由LCT完成，空间到地面的数据速率达到1.8 Gbps。该系统自2016年起进入常态化运行。

欧洲数据中继卫星(EDRS)-A是EDRS的第一个节点

NASA的激光通信中继演示（LCRD）于2021年进入GEO轨道，NASA随后对其与多个地面终端之间的通信进行了测试。通过LCRD，NASA工程师还验证了激光通信系统能够实现更高精度的导航能力。通过激光链路获取的位置数据精度，明显优于传统射频通信。

激光通信中继演示（LCRD）有效载荷安装在LCRD支持组件飞行器（LSAF）上。LSAF上安装有两个光学模块，它们产生红外激光，用于与地球之间传输数据。

2023年，LCRD作为中继站发挥了关键作用。集成式LCRD低轨用户调制解调器与放大终端（ILLUMA-T）被送往国际空间站（ISS），成功建立了双向激光通信链路。与此同时，由NASA的“灵神星（Psyche）”探测任务创造了空间通信领域的纪录：该任务在一次演示中，将视频数据从距地球3100万公里的深空传回地面，为未来地球轨道之外的载人任务奠定了技术基础。该仪器可发送和接收近红外（NIR）信号，使用编码的近红外激光，以267 Mbps的速率向位于加州的加州理工学院帕洛马天文台的Hale望远镜传输数据。

SpaceX于2022年开始部署激光通信终端（LCT）。其Starlink卫星最初的设计是接收来自地面便携式终端的信号，并将这些信号转发至具备互联网接入能力的下一处地面站。随着星间激光通信（即卫星与同一或相邻轨道平面上的其他卫星直接通信）的实现，地面站不再需要与用户终端处于同一颗卫星的覆盖范围内。这一变化有望对Starlink的整体运行模式产生重大影响。

过去，LCT多为试验性部署，仅欧洲数据中继系统（EDRS）等少数系统用于常态化业务。如今，LEO星座运营商已开始批量采购。

市场领军者TESAT于2024年8月投产新工厂，产能达每月100套LCT。TESAT表示，其终端在轨运行时间已超过50万小时，有10台已进入太空的光通信终端，是全球唯一具备成熟在轨验证经验的供应商。

TESAT-Spacecom成立于2001年，总部位于德国斯图加特附近的巴肯南（Backnang）。该公司由一家成熟的卫星载荷企业重组而来，并逐步成长为行业领军者。其历史可追溯至AEG Telefunken，该公司于1949年被迫离开柏林，随后历经多次更名与股权变更。2001年，EADS Astrium（现为空中客车防务与航天公司的一部分）收购TESAT，并将其作为独立公司运营。如今，TESAT在全球雇佣约1100名员工，主要集中在巴肯南。

2024年3月，SpaceX总裁格温·肖特韦尔（Gwynne Shotwell）宣布，公司已开始对外销售激光通信终端。2024年9月，SpaceX宣布成功测试了为美国太空发展局（SDA）制造的两颗卫星之间的激光链路，但测试中使用的仍是TESAT的终端。该测试涉及四颗配备Leidos红外传感器和TESAT激光终端的卫星中的两颗。

与此同时，其他LCT供应商也在持续推进技术演进。2024年6月，美国太空系统司令部宣布向四家公司授予合同，用于开发激光通信终端原型，正式启动总额1亿美元的“企业级空间终端（Enterprise Space Terminal）”计划第一阶段。中标公司包括Blue Origin、CACI International、General Atomics、Viasat。

德国公司Mynaric此前赢得了诺斯罗普·格鲁曼的订单，成为美国太空发展局Tranche 1运输层与跟踪层计划中光通信终端的唯一供应商。这也是该公司获得的多项合同之一。不过，由于LCT产能爬坡进展不及预期，Mynaric的CEO于2024年夏季离职，公司市值大幅缩水，尽管其产线扩张仍在继续。

全球多国纷纷在LCT技术领域展开相关活动。

据中国日报网报道，我国已于2024年2月成功将首个双向激光通信终端送入轨道。该终端由深圳的氦星光联（HiStarlink）与成都的国星宇航（AdaSpace）合作研制，其最大传输速率可达10 Gbps。

此前，我国于2016年发射了名为“墨子号”的科研卫星，实现了全球首次基于卫星的量子加密通信，通过向地面站发送纠缠光子对建立安全链路。

日本方面，NEC与总部位于加州的Skyloom全球公司展开合作，目标是在2025年前完成LCT的研发。

欧洲的国防承包商也加入竞争行列。泰雷兹·阿莱尼亚航天（Thales Alenia Space）开展了面向量子通信的LCT研发；亨索尔特（Hensoldt）甚至将LCT推广至潜艇通信应用。

激光与地面之间的通信仍被视为一项高难度、极具象征意义的技术突破，因为云层、雾气和大气湍流随时可能降低传输容量。因此，这类地面站很可能选址于高山或干旱地区，类似于天文望远镜的部署方式，并借鉴自适应光学等成像去模糊技术。

法国公司Cailabs提出了另一种思路。该公司提出利用光场空间组成/分解（demux）技术，在高数据速率下抑制大气湍流影响。其专有光学系统可支持多达45种模式的复用/解复用，每个信道功率可达100W。目前，Cailabs已在地面运行多条最长10公里的测试链路。

大规模卫星星座无疑是LCT最具潜力的市场。仅Starlink、Kuiper和中国“千帆星座”就规划了超过3万颗卫星。如果每颗卫星配备2–4台LCT，那么每年所需终端数量将达到数千台。目前限制LCT部署的最大瓶颈仍是发射能力。此外，低轨卫星的平均寿命约7年，这意味着市场将持续存在更新需求。若单台LCT的价格控制在100万美元以下，则可以粗略估算这一新兴市场的规模将达到每年约10亿美元。这一估算仍有待更深入的分析。

迄今为止，最大的星座系统主要面向终端用户服务。Rivada Space Networks（一家德美合资公司）则引入了新的商业维度：其计划部署600颗卫星，服务对象涵盖海事、通信、企业、能源和政府部门。尽管Rivada尚未发射任何卫星，但其在2024年11月的新闻稿中表示，已为其低轨网络锁定了超过130亿美元的业务订单。

这些市场都将进一步推动该技术的发展与部署。Starlink最新一代用户终端已经展示出令人瞩目的性能，可用于车辆和船舶。固定式终端在诸如巴西亚马孙雨林或澳大利亚内陆等欠发达地区也蕴含巨大机遇。物联网的坚定支持者则期待实现任何时间、任何地点的高速上行链路。

飞机互联网接入可能需要更复杂的解决方案，而政府机构显然会确保其数据链路覆盖战机、火箭、潜艇等平台。这将进一步推动加密技术的发展。首批量子加密卫星通信已经实现，更多相关应用正在快速推进。

德国公司MO-SPACE正在开发一种基于平流层飞艇的激光与量子通信网络。这一构想具有多方面优势：

• 飞艇的发射成本低于卫星，回收更容易；

• 飞艇可作为卫星与地面站之间的中继节点；

• 在空间碎片风险方面提供冗余；

• 且不会像卫星再入那样对平流层环境造成影响。

平流层中的固定飞艇可以作为低地球轨道(LEO)卫星进行自由空间数据传输的一种经济高效的替代方案

与卫星相比，飞艇还可以保持相对静止并提供更低时延，从而绕开云层遮挡问题。同时，飞艇比卫星更容易支持智能手机直连通信。尽管飞艇听起来颇具“未来感”，但这一思路正在快速扩展。例如，总部位于美国新墨西哥州阿尔伯克基附近的Sceye，也在筹备搭载 LCT 的高空飞艇平台。

激光通信终端的概念已被讨论40余年。如今它们已成为现实，且已有数百套系统被低轨星座订购。LCT的技术成熟度等级（TRL）已达到9级。结合价格与订单规模，可以预见，一个年规模约10亿美元的LCT硬件市场正在形成。

如果这一预期得以实现，LCT将成为全球卫星星座的通信骨干，支撑低时延互联网连接。“随时随地上网、只需一个餐盘大小的天线”只是起点；智能手机直连卫星将随之而来，利用光学信号提升GPS精度也将成为新的应用方向。创意仍在不断涌现，快速的技术进步正推动这些创新走向日常生活。