摘要：北京大学与中国科学院的联合研究团队在云南丽江天文台完成了一项可能改写卫星通信产业格局的技术验证：使用仅2瓦功率的激光系统，从距离地球36700公里的地球静止轨道卫星成功实现每秒1吉比特的数据传输速率。这一功率水平相当于普通冰箱照明灯的能耗，却在几乎是国际空间站

信息来源：https://dailygalaxy.com/2025/11/chinese-satellite-crushes-starlink-2-watt-laser-fired-in-space/

北京大学与中国科学院的联合研究团队在云南丽江天文台完成了一项可能改写卫星通信产业格局的技术验证：使用仅2瓦功率的激光系统，从距离地球36700公里的地球静止轨道卫星成功实现每秒1吉比特的数据传输速率。这一功率水平相当于普通冰箱照明灯的能耗，却在几乎是国际空间站轨道高度65倍的距离上，达到了比星链系统典型下载速度快约15倍的数据吞吐量。该成果发表在《光学学报》上，标志着远距离空间光通信从理论探索进入工程验证阶段，为全球卫星互联网的技术路径选择提供了新的可能性。

这项突破的核心在于克服了长期制约地球静止轨道光通信的两大技术障碍：极远距离导致的信号衰减和地球大气湍流造成的波前畸变。激光信号在穿越36000多公里的太空并进入地球大气层后，会因散射、吸收和湍流引起的折射率起伏而严重失真。传统光学系统在这种条件下难以维持足够的信噪比来支撑高速数据传输。研究团队开发的自适应光学与模式分集接收协同系统，通过357个微镜组成的可变形镜阵列实时补偿大气扰动，同时利用多平面光转换器将接收到的畸变光束分解为八个传输模式，算法实时选择最优信道进行数据解调。这种冗余设计将可用信号比例从72%提升至91.1%,使得稳定的千兆比特级传输成为现实。

与主导当前卫星互联网市场的近地轨道星座相比，地球静止轨道方案呈现出截然不同的系统架构和经济模型。星链系统部署了超过5000颗运行在550公里高度的卫星，每颗卫星仅能覆盖地表的一小部分区域，用户终端需要在不同卫星间频繁切换以维持连接。这种设计虽然降低了单颗卫星的复杂度和通信延迟，但带来了巨大的发射成本、轨道拥堵风险和卫星更换维护负担——近地轨道卫星寿命通常仅5至7年，星座需要持续补充新卫星。相比之下，地球静止轨道卫星位于赤道上空35786公里处，与地球自转同步，从地面看保持相对静止，单颗卫星可覆盖地球表面约三分之一的区域。仅需三颗均匀分布的卫星即可实现除极地外的全球覆盖，且地球静止轨道卫星设计寿命可达15年以上。

激光与射频：两种物理原理的竞争

© 国际空间站绕地球运行。图片来源：Shutterstock

要理解这一技术突破的意义，需要对比激光通信与传统射频通信的根本差异。射频系统使用的电磁波波长通常在厘米到米量级，天线尺寸与波长相关，发射波束较为发散。这种特性使得射频通信在远距离传输时需要高发射功率才能维持足够的接收功率密度。地球静止轨道的传统通信卫星发射功率通常在数百瓦到数千瓦级别，配备大型抛物面天线来集中信号。即便如此，频谱资源的有限性和日益严格的无线电频率分配管制，使得射频系统的带宽扩展空间受限。

激光通信使用的可见光或近红外光波长仅为微米量级，比射频短数个数量级。根据衍射原理，波长越短，相同孔径天线产生的波束发散角越小。这意味着激光可以形成极窄的定向光束，几乎所有发射能量都集中在目标方向上。中国团队的系统仅用2瓦功率就能在36000公里距离上建立通信链路，其功率效率是同等距离射频系统的数百倍。此外,光学频段的可用带宽远大于射频频段——理论上可达太赫兹级别——为超高速数据传输提供了物理基础。目前的演示实现了每秒1吉比特,而实验中使用1瓦激光器时曾达到每秒2吉比特,展示出进一步提升的潜力。

然而,激光通信也面临独特挑战。激光束的高度定向性要求卫星与地面站之间保持精确的指向对准,角度偏差即使只有几微弧秒也可能导致信号丢失。地球静止轨道卫星虽然相对地面静止,但仍存在微小的轨道漂移和姿态扰动,需要高精度的捕获、跟踪和瞄准系统。更严峻的挑战来自大气层。地球大气并非均匀介质,温度、压力和湿度的起伏造成折射率变化,导致穿过大气的激光束发生波前畸变、闪烁和漂移。这种效应在天文学中表现为星星的闪烁,在通信中则导致接收功率剧烈波动和误码率上升。正是这一障碍使许多专家此前认为从地球静止轨道进行高速激光下行链路"几乎不可能"实现。

中国研究团队的创新正是针对这一关键瓶颈。自适应光学技术最初为天文观测开发,通过测量大气引起的波前畸变并用可变形镜实时校正,使地基望远镜能够接近太空望远镜的成像质量。将这一技术应用于通信领域,需要解决更快的响应速度要求——通信信号的相干时间通常为毫秒级,远短于天文成像可接受的曝光时间。研究团队采用的357单元可变形镜能够以千赫兹频率更新形状,配合波前传感器实时测量大气扰动,形成闭环控制系统。但单靠自适应光学仍无法完全补偿快速变化的湍流效应,特别是在强湍流条件下。

模式分集接收技术提供了补充方案。激光在自由空间传播可以用不同空间模式的叠加来描述,大气湍流会将能量在不同模式间重新分配。多平面光转换器是一种特殊设计的光学器件,能够将畸变的入射光束分解为多个预定义的空间模式,每个模式通过独立的光电探测器接收。由于不同模式受湍流影响的统计特性不同,总有部分模式保持较好的信号质量。接收端通过算法实时评估各模式的信噪比,选择最优模式解调数据,或者对多个模式进行加权合并。这种空间分集类似于无线通信中的天线分集,显著提高了抗衰落能力。实验结果显示,协同系统将误码率降低到10的负9次方以下,满足实用通信系统的要求。

战略意义与产业影响

地球上空的网络和卫星数据交换，NASA提供的图像元素，3D渲染元素。照片：Shutterstock

这项技术验证的战略意义远超科学探索本身。全球卫星互联网市场规模预计在2030年将超过300亿美元,并在随后十年内呈指数增长。星链凭借先发优势和快速部署能力,目前占据市场主导地位,服务用户已超过400万。但近地轨道星座模式也暴露出日益突出的问题:轨道空间日益拥挤,卫星碰撞和空间碎片风险上升;密集的卫星网络对天文观测造成严重光污染;频繁的卫星更替带来持续的发射成本和环境影响。国际天文学联合会和多个国家的天文机构已对近地轨道大型星座表达关切。

地球静止轨道激光通信方案提供了一种可能的替代路径。由于所需卫星数量仅为近地轨道星座的千分之一甚至更少,对轨道环境的影响大幅降低。激光束的窄带宽特性也减少了电磁频谱的占用和潜在干扰。更重要的是,地球静止轨道的独特优势在某些应用场景中无可替代。对于固定或慢速移动的用户,如海上平台、偏远地区设施或航空飞行器,与位置恒定的卫星保持连接比频繁切换星座中的多颗卫星更为简便可靠。金融交易、应急指挥等对延迟不敏感但要求连接稳定性的应用,可能更青睐地球静止轨道方案。

军事和政府通信是另一个关键维度。激光通信的窄波束特性使其极难被非目标接收者截获,提供了天然的抗窃听能力。相比之下,射频信号的广播特性使得任何位于覆盖区域内的接收机都能捕获信号,即使加密也存在被分析和破解的风险。对于需要高保密性的战略通信,激光链路的物理安全性具有重要价值。此外,激光通信系统受电磁干扰和反卫星武器攻击的脆弱性不同于射频系统,在军事对抗环境中可能提供冗余和韧性。中国在这一领域的突破,与其近年来在量子通信卫星、北斗导航系统等空间基础设施上的投资形成呼应,显示出构建自主可控天基信息网络的长期战略意图。

深空探测是激光通信最具前景的应用领域之一。随着月球基地、火星任务等深空探索计划的推进,对高速数据回传的需求急剧增长。科学仪器产生的海量观测数据、高清视频影像、未来载人任务的实时通信,都要求比现有射频系统高数个量级的带宽。NASA的月球激光通信演示任务已在38万公里距离上实现每秒622兆比特的下行速率,验证了激光通信在地月距离的可行性。中国在地球静止轨道的成功演示,为类似甚至更远距离的深空激光通信奠定了技术基础。值得注意的是,深空环境不存在大气湍流问题,技术难度在某些方面反而低于地球静止轨道到地面的链路。

技术挑战与产业化前景

尽管取得突破,从演示验证到大规模部署仍有漫长道路。当前系统在理想天气条件下完成测试,但实际运营必须应对云层遮蔽、降雨、雾霾等不利气象。激光无法穿透厚云层,这是光通信的根本限制。解决方案包括建立地理分散的多个地面站网络,利用不同地点天气不相关的统计特性提高系统可用性;或者采用射频链路作为备份,在激光链路中断时切换。这增加了系统复杂度和成本。

地面站设施的建设和维护需要大量投资。一个能够支持地球静止轨道激光通信的地面站需要配备大口径望远镜、高精度跟踪系统、自适应光学设备和信号处理系统,造价可达数百万至数千万美元。相比之下,星链用户终端是批量生产的相控阵天线,成本已降至数百美元级别。如何在保持技术优势的同时控制终端成本,是商业化面临的主要挑战。可能的路径包括开发小型化、集成化的光学终端,利用规模效应降低单位成本;或者采用混合架构,由少数高性能地面站作为网关接入骨干网络,终端用户通过地面或近地轨道网络连接到网关。

卫星端的技术成熟度和可靠性同样关键。目前的演示使用的是实验性光学载荷,要转化为能够在轨运行15年的商用系统,需要通过严格的空间环境考验——辐射、热循环、微重力等极端条件。激光器、光学元件、探测器等关键部件的长期稳定性,高精度指向机构的可靠性,都需要在多次任务中验证。国际上,欧洲航天局的数据中继卫星系统已应用激光星间链路多年,积累了宝贵的在轨运行经验,但地球静止轨道到地面的高速激光下行仍是新领域。

标准化和国际合作是产业成熟的必要条件。如果不同国家和公司开发的系统互不兼容,将限制网络效应和规模经济。国际电信联盟等组织已开始制定空间光通信的技术标准和频谱分配规则,但进展相对缓慢。中国系统的成功演示可能加速这一进程,推动相关标准的建立。同时,空间光通信的发展也引发新的国际竞争与合作格局。美国、欧洲、日本等都有活跃的激光通信研发项目,如何在技术竞争与标准协调间找到平衡,考验着各方的战略智慧。

从技术演进路线看,近地轨道星座与地球静止轨道激光系统未必是非此即彼的关系,更可能是互补共存。近地轨道星座在低延迟、移动覆盖方面有优势,适合消费互联网、物联网等大众市场;地球静止轨道激光系统在带宽、稳定性、频谱效率方面领先,适合骨干传输、专业应用、深空通信等高端市场。未来的全球天基信息网络可能是异构的、多层次的,不同轨道、不同技术的系统通过星间链路互联,形成空间互联网。中国此次突破为这一愿景增添了重要的技术选项。

北京大学和中国科学院团队在论文中强调,这项工作证明了在极具挑战的条件下实现高速空间光通信的可行性,为下一代卫星通信系统开辟了新的可能性。但他们也坦诚指出,许多工程问题尚待解决,从实验室到实用系统的转化需要跨学科的持续努力和大规模投入。这种科学诚实反映了研究者的严谨态度,也提醒我们在评估技术突破时保持理性。

对于全球卫星通信产业而言,中国的这一成果是重要的技术信号,表明地球静止轨道激光通信从"理论可能"进入"工程可行"阶段。这可能刺激更多投资和研发进入这一领域,加速技术成熟和成本下降。同时,它也为星链等近地轨道星座运营者带来潜在竞争压力,可能影响其长期战略和技术路线选择。在太空日益成为战略竞争新疆域的背景下,掌握关键技术并建立自主体系,对任何大国都具有重要意义。中国在空间光通信领域的持续投入和逐步突破,正是这一战略逻辑的体现。

来源：人工智能学家