浅谈空间激光通信终端几种常见架构

近年来，商业航天的迅猛发展正在重塑全球航天产业格局。以SpaceX为代表的商业航天公司，通过低成本火箭发射、卫星互联网星座（如Starlink）等创新模式，不仅大幅降低了太空探索的门槛，更推动了航天技术的快速迭代。随着低轨卫星星座的规模化部署，海量数据传输需求日益迫切，传统微波通信在带宽和抗干扰方面的局限性逐渐凸显。在此背景下，星间激光通信凭借其超大带宽、高保密性、抗干扰能力强等优势，成为构建高速太空信息网络的关键技术。2025年8月，SpaceX首次公开展示其第五代激光通信终端，该终端采用一体化集成光路设计，将光学望远镜、指向转台等关键组件高度集成于紧凑模块中，完美契合星链数万颗卫星的部署需求。

值得关注的是，中国的“GW星座”星间激光通信的技术路径上呈现出与Starlink相似的集成化趋势，特别是英田光学的技术布局，反映出激光通信终端一体化设计已成为应对未来巨型星座挑战的共识。这一共识的形成源于技术路线的持续演进：从粗精复合跟踪架构、一体化集成架构、到模块化可扩展架构，其演进始终围绕提升跟踪精度、系统稳定性与量产经济性三大目标，推动终端从功能实现走向规模化应用。

第一代：粗精复合跟踪架构

作为现代卫星激光通信的主流方案，粗精复合跟踪式终端采用“动静分离”机制：通过卫星平台姿态控制系统实现粗跟踪，再借助终端内部的快速控制摆镜完成精密指向与振动补偿。该设计兼具千赫兹级高带宽振动抑制能力与高在轨可靠性。其常见实现形式包括潜望镜式、摆镜式和T型等架构，已成为欧洲EDRS系统、SpaceX星链及英田光学等国内外企业首选的技术路线，共同推动激光通信从实验验证迈向规模化应用。该架构具有技术成熟度高，跟踪精度可靠，适合长距离、高稳定度要求的任务的特点，但由于设备分离，使得系统复杂、体积重量大、功耗高，难以满足商业航天的大规模部署需求。

第二代：一体化集成架构

2010年中期至2020年代，随着技术的不断发展，尤其专用光、电器件的发展，逐步将光学、电子、控制子系统进行融合，形成更为紧凑的系统。该阶段光学系统集成方面采用透射式或折反射式紧凑光学设计，大幅减小体积；在电子系统方面开展片上化，专用集成电路（ASIC）和现场可编程门阵列（FPGA）的应用提高了处理能力；在PAT算法上逐步开展基于模型预测控制和人工智能的初始捕获算法，缩短了链路建立时间。德国TESAT的LCT系列（2014年），日本JAXA的LUCAS终端（2014年）均为该类代表，SpaceX在2021年后为Starlink V1.5卫星批量加装的激光终端，虽未公布详细技术参数，但据分析属于高度集成化设计，单终端重量可能低于10公斤，成本控制在数十万美元级别，实现了从“实验室精品”到“工业化产品”的转变。目前我国的激光通信终端也多采用该类技术，实现了激光终端10kg以下。

然而，一体化集成架构不仅体现在星载终端上，也在地面系统中衍生出具有代表性的创新结构，例如库德式激光通信地面终端。该设计采用独特的光路布局，通过主镜后方的三镜反射系统将入射光束经方位轴与俯仰轴折转，最终导入固定于地基的光学接收系统，实现运动望远镜与固定光路的无缝耦合。该架构通过固定安装重型接收设备，大幅降低运动部件转动惯量，显著提升系统跟踪带宽与动态响应性能，同时有效规避电缆缠绕问题，增强系统长期运行可靠性，并简化高热耗设备的温控设计。在欧洲南方天文台甚大望远镜干涉仪的激光导星系统及美国空军研究实验室的星地激光通信试验台中，该结构均得到成功应用，证实其在极端要求下的科学观测与军事通信领域具有不可替代的技术价值。

第三代：模块化可扩展架构

近些年，基于标准化接口技术、模块化设计、软件无线电，逐步支持灵活配置和在线升级，正逐步将激光通信终端向模块化可扩展架构方向推进。在设计理念上，通过将光学头、控制器、电源等设计为标准模块，支持快速更换和升级，实现即插即用；实现软件定义功能，通过软件更新实现协议切换、速率调整、算法优化，延长终端生命周期；开展大规模量产工艺研究，基于模块化的优点，借鉴消费电子制造经验，采用自动化组装和测试流程，实现低成本、快速建造的目标。

2023年，基于“GW”等大规模应用需求，英田光学成功研制出星间激光通信终端。该终端采用模块化可扩展架构设计，通过将光学、电子等部组件模块化设计和标准化设计，保证光机热稳定性、高隔离度等前提下，实现了多模块的灵活接入，实现了批量制造等多项技术上实现突破，能够有效满足星座规模化组网的星间通信需求。该设计实现了从实验室工艺到工业产品的根本转变，通过固化内部光路，既确保了卫星在振动、温差等极端环境下的指向精度与可靠性，又支持自动化流水线批量生产，显著降低了成本与装配复杂度。

下一代发展：智能化和网络化架构

下一代空间激光通信终端将超越单纯的“通信设备”范畴，向智能空间网络节点演进。主要发展方向包括：能够感知空间环境、自主选择最优通信参数的智能激光通信技术；通过相控阵光学技术或波导数字波束成形，实现一对多同步通信；终端设计兼顾星间、星地、空地等多场景应用，实现全域覆盖的多任务能力。

空间激光通信终端发展经历了从技术验证、工程实用到规模量产的发展。在商业星座建设、国际竞争格局与国家战略需求的多重驱动下，一体化集成光路凭借其在系统性能、制造成本与量产效率方面的综合优势，已为构建全球卫星互联网及实现天地一体化网络奠定了核心技术基础。