美国国防部认为，美国的战略竞争对手正在发展定向能武器、电子战和反卫星能力，对美国的太空能力构成威胁，而且这些敌对威胁还在不断演进。美国防部尤其关注其在太空运行的造价昂贵的传统大型卫星，并将美国在太空的脆弱性部分归因于在通信方面严重依赖这些大型卫星。
为应对当前卫星面临的日益增长的威胁，以及高超音速导弹等新兴威胁，美国国防部太空发展局（SDA）正在开发基于低地球轨道的扩散型作战太空架构（PWSA），目标是构建低轨大型卫星星座，替代更高轨道上更大、更易成为目标的卫星，执行关键传感、跟踪和数据传输任务。PWSA依赖于成功实现新的太空激光通信技术，利用该技术实现太空内以及太空与地球之间的数据传输。激光通信相比传统射频通信，具有传输速率高、安全性强等优势，但技术复杂，其开发面临诸多挑战。近年来，商业领域一直在开发和使用类似技术，美太空军希望利用这些商业进展来支持其工作。但商业界和政府在激光通信技术安全需求、数据传输速率、激光束射程等关键方面需求不同，且对政府用途来说，商业上成熟的技术可能需修改才适用。美国防部官员表示，国防工业基础中激光通信技术的可用性尚处于起步阶段。
美国防部正开展多项激光通信技术开发工作，而太空发展局的激光技术开发则相对走在前列。美国政府审计署（GAO）在2025年2月底发布的一份审计报告中称，激光通信对美国防部意义重大，太空发展局开发虽有进展，但在技术演示验证、开发流程、投资策略等方面也暴露出诸多问题。
01 激光通信太空应用优势及挑战
美国防部太空激光通信开发目前处于早期阶段。与其传统使用的射频通信类似，激光通信也可用于太空到太空、太空到地面（如地面站或海上船只）以及太空到空中（如飞行中的飞机）数据传输。
激光通信基于光的传输特性，通过激光束在光通信终端（OCT）之间传输数据。激光通信速率是射频传输的10~40倍，激光束宽度则比射频波束窄1000倍，因而“脚印”或接收机接收区域也小得多，让敌方更难截获信号。
在太空激光通信中，OCT被固定在卫星上，并向其他兼容OCT或接收机传输数据。两个OCT要能够相互传输信号，必须具有兼容波形。图1展示了OCT的关键组件。激光通信的数据传输速率由几个设计特征决定，包括硬件和软件特征。硬件特征包括光学透镜，它决定了从OCT传输的数据量和范围。一般来说，更大的光学透镜可以在更远距离上传输更多数据。软件方面的一个关键特征可能是支持信令能力，以区分来自友方OCT和敌方的激光束。
OCT设计要平衡三个重点：效率，即传输数据所需的功率；范围，即一定量的数据通过激光链路能够传输的距离；以及组件的复杂性，例如用于向OCT传输数据或从OCT接收数据的技术。
图1 光通信终端一般性示意图
（1）激光通信太空应用优势
在太空应用激光通信的优势如下：
·数据速率更高：激光通信速率是射频数据传输速率的10~40倍，这对支持新型在轨技术至关重要，例如，对于“高清”仪器收集的海量数据，激光通信能够确保这些数据及时、高效传输，为后续分析和决策提供有力支持。
·更安全：OCT使用高度聚焦的窄激光束，其光束宽度约为射频波束的千分之一，即接收机能够接收到数据的区域要小得多，可有效降低信号被敌方或其他第三方截获和探测的风险。
·体积、重量和能耗更小：OCT设备相较于传统射频通信设备更小、更轻，且所需功率更低。例如OCT无需使用大天线收发数据，这对于卫星载重和能源供应都受到严格限制的太空环境而言尤为重要。
·不受监管：射频的使用受到严格监管，以尽量减少射频应用之间的干扰，而激光通信因为干扰风险较低，未受严格无线电频率使用监管。
（2）激光通信太空应用挑战
激光通信技术在实际太空应用中，仍然面临着一系列严峻挑战。
·抖动：在太空环境中，机械振动以及大气湍流等因素会对激光信号造成扰动，这一现象称为信号抖动，会影响信号传输质量，严重时甚至会导致信号无法接收和维持。由于激光通信对精度要求极高，建立激光链路对可能导致抖动的扰动非常敏感，包括指向、捕获和跟踪过程中以及大气中产生的扰动。
·指向、捕获和跟踪（PAT）：PAT是两个光学通信终端相互对准进行初始接触、建立激光链路并在数据传输的同时相互跟踪以维持该链路的过程。用于建立PAT的OCT编程必须经过专门设计，以便相互“通信”。实现PAT要求卫星设计以及OCT集成到卫星上时要考虑振动对抖动程度及激光束数据传输能力的影响。
此外，建立星间激光通信链路的时间窗口非常短。数据传输既发生在同一轨道面内一起移动的卫星之间，也发生在跨多个轨道面通信的卫星之间。同一轨道面内运行的卫星由于相对位置不变，可能只需要建立一次PAT。而对于在不同轨道面内运行的卫星，建立链路非常复杂，因为卫星会相互靠近、相邻，然后远离。一旦卫星之间不再相互“可见”，这些卫星就必须迅速连接到其他卫星，以继续通过星座传输数据。特定卫星可能载有多个OCT，需要同时实现平面内和跨平面连接。不同轨道面内OCT相互可见的时间长短，取决于它们的轨道方向和高度。卫星跨轨道面通信时，OCT必须能够在动态环境下快速实现PAT。
·大气影响：太空与空中平台或地面站间的激光通信可能会受到大气中云层、尘埃等物质的影响，造成传输质量和数据传输量下降。
（3）支持太空激光通信技术所需的基础设施
除了在太空中建立激光链路，要在星间以及卫星到地面/空中实现激光通信数据传输，还需要有配套基础设施的支持。
·网络：卫星星座需要高效的网络协议来确定数据传输和路由方式与目的地。
·地面和空中接收机：从太空向地面或空中平台传输数据，地面或空中平台也需要配备OCT，以接收卫星发送的激光信号，然后将这些数据路由给用户。
02 美太空发展局激光通信技术开发计划及实施
美太空发展局于2020年启动了PWSA工作。PWSA是一种采用分层架构的低轨卫星星座，共包含七层，每一层都支持特定功能，且每一层都依赖激光通信。近几年太空发展局正重点推进传输层和跟踪层建设，这两层的卫星都需要利用光通信终端（OCT）来实现作战能力。跟踪层包括收集有关潜在导弹发射等信息的传感器；传输层则是PWSA的通信骨干，主要目的是在整个星座中传输数据。该星座卫星依靠OCT实现彼此之间以及与地面和空中平台之间的数据通信。美太空发展局将激光通信技术视为PWSA整体架构成功的核心，因为只有激光通信才能提供导弹跟踪和数据传输任务所需的数据速度和吞吐量。
（1）以2年为周期螺旋式推进激光通信技术开发
SDA正采用螺旋式（或者说迭代式）开发模式推进卫星星座建设和激光通信技术发展。针对跟踪层和传输层，每2年为一个开发批次。SDA将每一批次称为一期（Tranch），按计划，每一期的工作均以前一期工作为基础，能力逐期递增，通过迭代过程不断完善激光通信技术和卫星星座功能。每一期的工作也会与之前各期互连，从而建立跨多期的互连网络。
首期T0于2020年启动。根据初始计划，T0发射28颗卫星，包含跟踪层和传输层，展示具备支持PWSA任务和目标所需激光通信波形的光学通信终端（OCT）。美太空发展局将T0的一个主要目标确定为测试、评估以最小延迟通过星座传输数据的能力，包括通过太空到太空激光链路。后续T1、T2等期在卫星数量、覆盖范围和功能复杂性上逐步递增。T1计划发射165颗卫星，T2计划发射264颗卫星，它们将在T0的基础上，进一步扩展卫星星座覆盖范围，增加通信链路的数量和复杂性，提升整体系统的性能和功能。展望未来，SDA计划从2025年开始授出T3批次合同，预计将包括共约200颗跟踪层和传输层卫星。
每2年交付一次能力带来了一些好处。例如，与通过传统开发周期更长的采办流程构建的系统相比，PWSA能够更好地适应威胁的不断演变，根据新的威胁信息更快对技术做出调整。2年的采办周期可以在新技术问世时，更快将其整合到卫星星座中，还有助于实现美国国防工业基础多元化，鼓励原本未在该领域与美国防部合作的公司参与其中。
（2）确立最小可行能力
太空发展局为推进激光通信技术开发确立了最小可行产品（MVP）。MVP定义为具有早期客户足够可用功能的一个产品版本，然后客户可以为未来产品开发提供反馈。MVP基于每期的最小可行能力（MVC），即太空发展局和利益相关者确定的一组要求，在该期时间范围内需要满足这些要求。例如，星座的全球覆盖范围就是一个MVC，而相关的MVP则是满足该能力所需的PWSA卫星数量。
PWSA以太空网状网为核心，光通信终端对于维持该网络至关重要。以下是T0、T1、T2阶段最初规划的最小可行能力和时间框架。
T0 “作战人员沉浸”（2022财年）：演示基于激光的网状网，包括在成本、进度和可扩展性方面论证扩散型架构的可行性，以实现超视距目标瞄准和先进导弹探测跟踪所需的性能。
T1 “初始作战能力”（2024财年）：交付具备区域覆盖能力的、基于激光的韧性网状网。这包括在某一区域持续为Link 16数据链、先进导弹探测、超视距目标瞄准提供数据通信和连接能力；演示其他基于射频（UHF和S波段）的战术卫星通信。
T2 “最终作战能力”（2026财年）：交付具备全球覆盖能力的、基于激光的韧性网状网。这一阶段将把T1交付的能力从区域持续覆盖扩展到全球持续覆盖，展示先进的战术数据链以及未来扩散型任务。
03 技术开发推进措施
在技术研发方面，太空发展局采取了一系列积极有效的措施来推动太空激光通信技术的发展，主要包括制定新的政府OCT标准、进行OCT实验室测试以及推进组件技术成熟。
3.1 制定SDA OCT标准
美太空军需要确保不同供应商的卫星光通信终端（OCT）能够相互通信。太空发展局制定了一项新的政府标准——SDA OCT标准，该标准定义了PWSA OCT在太空中互连的技术规范，支持其特有的政府任务和需求，并确保不同商业供应商之间的互操作。例如，SDA确定的数据速率为每秒2.5 Gbps，低于目前某些已达到100 Gbps的商用技术。美国防部官员表示，数据速率较低部分原因是需要符合国防部数据加密要求，而这些要求并不支持更高数据率。美太空发展局在设计中还考虑了几个因素，包括支持开发成本更能接受的OCT，以便让更多供应商能够参与其中。该标准还规定了一种特定波形，要求支持从太空到太空、空中或地面的激光链路。
SDA在标准制定过程中征求了承包商、商业供应商和美国防部不同机构的意见，目前已发布了多次版本更新，并正在根据开发者和其他利益相关者的反馈完善该标准。商业OCT技术的进步使OCT供应商能够利用这些技术的成熟组件为PWSA建造OCT。一些供应商已能够利用其商业技术组件满足美太空发展局OCT标准，并且有专门针对PWSA的OCT产品线。
3.2 开展实验室测试
美太空发展局支持对OCT进行两种测试——验证测试和互操作性测试。验证测试旨在确保OCT波形与美太空发展局的OCT标准兼容，并且能够向美海军研究实验室提供的测试设备发送数据并从其接收数据。该测试由PWSA承包商在自己的设施中进行，承包商必须在完成这项测试之后才能进行互操作性测试。
互操作性测试由美太空发展局与海军研究实验室合作进行，旨在确保不同开发商制造的OCT能够在实验室环境下相互连接。美海军研究实验室为此开发了一个测试平台，已为T0 OCT提供了一些互操作性测试，并为T1提供了额外测试能力。具体而言，T0 OCT进行了波形兼容性测试，但没有进行指向、捕获和跟踪（PAT）过程测试。T1 OCT则进行了PAT测试。
太空发展局官员表示，这些测试工作有助于增强对OCT太空连接能力的信心，但也存在局限性。有一些变量无法在实验室进行测试。OCT必须在太空中进行测试，才能确保未来OCT或卫星无需进行关键设计更改。例如，一些可能影响太空中OCT性能的环境条件无法在实验室中测试，太空中极端温度变化造成的影响不可预测，无法在实验室中充分测试。
3.3 推动组件技术成熟
美太空发展局为支持激光通信技术进步开展了多项工作。一方面，与多家小型企业合作开发和完善OCT能力，包括改进星座数据路由技术；还与一家小型企业合作开发相关技术，增加低轨星间激光链路距离。另一方面，与美国防部其他科技机构合作，如2021年和2022年与美国国防高级研究计划局（DARPA）、空军研究实验室合作进行激光通信演示，展示一种与SDA OCT标准类似的波形。SDA还与空军研究实验室合作开发了一种可与太空卫星进行激光信号收发的地面终端。
04 技术开发现况与面临的问题
4.1 进展未达预期，尚未按计划展示PWSA激光通信技术的最低能力
PWSA T0是太空发展局利用其新OCT标准进行光通信演示的主要阶段，但由于供应链等方面的挑战，并未如预期那样快速推进。原定于2022年9月开始发射卫星，但首次发射推迟到了2023年4月。其余发射在接下来的10个月内陆续完成，直到2024年，T0批次才完成卫星在轨部署。发射延期导致在轨测试延迟，包括激光通信技术测试。
美太空发展局计划在T0阶段展示一种太空网状网，这种去中心化网络具有自动配置和自适应能力，可高效路由数据。美国防部2022年4月的规划文件显示，美太空发展局计划在T0首次发射6个月后，展示在轨性能，包括网状网和激光通信性能。
然而，美太空发展局尚未使用其新OCT标准成功展示全部激光通信技术。根据太空发展局的文件，至少有八项关键能力要在T0阶段展示。按照太空发展局合同中的描述，SDA希望将每项技术列为网状网MVP的一部分进行演示。尽管在2024年9月和12月有报道称美太空发展局已在太空中演示了T0激光技术，但实际上只展示了其中几项能力，详见表1。
表1 截至2024年12月T0承包商展示的激光通信能力
T0 MVP中的上述每一项能力，都代表着在使用激光通信支持PWSA网状网方面向前迈出的重要一步，同时也意味着难度的增加。例如，实现太空到太空激光链路是关键的第一步，表明卫星指向机制足以实现相互定位并建立链路。实现数据传输则表明卫星的PAT系统不仅能够相互对准，还足以能够在太空中移动时彼此跟踪并保持连接。实现平面内激光链路意味着一前一后两颗以相同相对速度移动的卫星可以连接。而演示跨两个或更多轨道面的数据传输要困难得多，因为这带来了诸如卫星相对速度和轨道变化等挑战。
演示网状网各项能力的耗时比预期长，原因一是协调地面支持存在挑战，如，卫星与地面站联系时间有限导致测试时间协调困难，而且问题诊断和向卫星上传纠错性软件升级也需要时间。二是太空发展局指示承包商在继续测试激光通信技术之前优先支持其他技术演示。
除了T0，美太空发展局还支持了其他激光通信技术项目，试图降低风险，但这些项目的表现也未达预期。例如，前面提到的太空发展局与DARPA和空军研究实验室合作开发的激光通信波形演示项目。虽然该演示实现了激光链路和数据传输，但由于航天器的推进问题，OCT的连接距离仅为113千米，是2400千米计划演示距离的约二十分之一。该演示实现了所有计划目标，但没有达到一些“挑战性目标”，如，当卫星尝试与地面建立连接时，无法执行跟踪功能。而PWSA合同要求承包商开发的OCT连接距离达到6500千米，几乎是上述计划演示距离的三倍，是演示实际实现距离的近60倍。美空军研究实验室表示，这一性能以及其他因素，限制了该演示对PWSA项目的参考价值。
4.2 开发过程偏离最佳实践标准，未能确保后续阶段能吸取前一阶段的经验教训
PWSA采取迭代开发方式，这种方法注重及时设计、验证和交付产品以满足用户要求。通过原型设计创建和验证关键能力或最小可行产品（MVP），收集的信息（如基于MVP的经验教训）随后用于为后续迭代或新产品提供信息。原型演示表明某些内容未按预期或期望运行时，可以修改原型设计并重新评估，或者决策者可以转向不同的方法。
但SDA过于追求两年的固定开发节奏，忽视了从T0阶段充分吸取经验教训，而未能及时解决T0阶段出现的问题，使得项目风险不断累积。迭代开发的核心在于通过每一次迭代不断优化和改进产品，但SDA在T0阶段技术能力尚未充分验证的情况下，就匆忙推进后续阶段的开发。2022年、2023年和2024年初，太空发展局授出T1和T2合同（价值约95亿美元，主要是初始合同）时，T0供应商中没有一家已演示所需的太空OCT能力，而这些能力是计划中的T0 MVP网状网的一部分。T0卫星发射严重延迟，在轨OCT测试时间长于预期，某些情况下需要几个月甚至一年多的时间才能完成建立激光链路所需步骤。然而，太空发展局仍在推进T1项目，承包商已经完成了地面激光通信测试，并开始交付OCT，为2025年初首次发射做准备。
美太空发展局降低了对T0的期望。例如，太空发展局最初计划展示不同供应商制造的OCT，但现在计划演示同一轨道面内由同一供应商制造的OCT之间的太空到太空激光数据传输。2024年7月，太空发展局描述了T0网状网演示计划的变化，实际上重新定义了与激光通信技术演示相关的T0 MVP。太空发展局仍然计划在T1首次发射之前演示T0网状网，但现在只计划演示部分最初规划的能力。承包商实现了约克太空系统和SpaceX这两家卫星供应商之间的激光链路，但这两家公司使用的其实是同一家开发商（Tesat-Spacecom）的OCT。美太空发展局表示，目前还没有T0激光通信测试的总体时间表。
太空发展局目前的做法意味着它不再计划在T0中全面演示之前被视为MVP的关键能力，T0从“螺旋式开发的第一步，在运行环境下演示基于激光通信的网状网”，转变为“一个单独的概念验证工作，为未来阶段提供参考”。
在T0预期降低且尚未得到验证的情况下，太空发展局就签订了T1和T2阶段合同，并且未调整这两个阶段的激光通信技术演示计划。美太空发展局局长表示，PWSA各期开发工作是独立的，一期的延迟不会影响未来各期的开发进度。太空发展局也不会根据完全展示的MVP状态来关联各项工作。基于尚未满足初始能力的设计推进后续阶段，增加了开发复杂度，无法确保从初始批次或MVP中获得的信息可用于为未来批次提供参考，并且有可能无法开发出满足用户需求和任务能力的足够能力。
4.3 在技术准备不充分的情况下持续扩大后续各期规模和投资
在未充分演示PWSA关键能力——激光通信的情况下，美太空发展局持续扩大后续批次规模和投资。规模和能力的扩大，增加了通过激光通信技术在整个星座中成功传输数据的复杂性。
太空发展局计划大幅增加星座规模，并且每个阶段都涉及多个供应商。例如，太空发展局与9家不同主要承包商签订合同，开发T0、T1和T2跟踪层和传输层。在这9家主承包商中，至少有4家不同OCT开发商作为分包商参与其中。涉及的供应商数量众多，进一步增加了整体工作的复杂性。表2显示了每期涉及的主要承包商、成本和计划卫星数量。
表2 PWSA各期和各层卫星数量、主承包商和合同额
此外，在T1中，美太空发展局计划要求开发的OCT数量大约是T0的10倍，以支持更大的卫星星座。
图2 PWSA各期计划开发的卫星数量以及激光通信终端数量
T1 MVP将提供比T0 MVP更复杂的能力。美太空发展局对T1的描述是为某些能力，如低延迟数据连接，提供持续区域接入。为此，太空发展局计划在T0计划演示网状网MPV基础上增加能力并扩展网络，将OCT必须传输数据的轨道面数量从T0中的3个增加到T1中的10个。T1还要求传输层卫星上的OCT能够同时实现至少4个激光通信链路，跟踪层卫星上的OCT根据卫星型号的不同支持2个或3个同时激光通信链路。这些激光通信技术要求支持的网状网比T0中能够展示的能力要复杂得多，目前T1卫星已经在生产中。
同样，美太空发展局计划在T2中增加比T1更多的卫星和能力。T2阶段，太空发展局计划通过持久全球接入以及额外能力演示来提升T1的能力。太空发展局计划在T2中进一步扩展网络，连接另外至少26个轨道面上的OCT，其中汲及多个需要更改设计的卫星型号。T2还根据卫星型号的不同，要求实现3个或4个同时激光通信链路。
随着各期卫星数量的增加，及时建立正常运行的激光链路变得越来越重要。如前所述，如果每期都没有实现初始MVP为未来各期设计变更提供参考，太空发展局就无法充分利用迭代方式的优势，PWSA也有可能无法实现全部太空激光通信能力。例如，T0在轨测试结果完成后可能会发现一些问题，需要对设计进行修改才能实现OCT间连接。但由于T1和T2已经在开发中，在这些期中融入设计变更可能会推迟相关能力的实现，这意味着支持美国防部多项任务所需的激光通信能力可能无法按计划提供给作战人员。
太空发展局计划继续在未来各期中投入大量资金。根据2024年3月太空发展局宣布的支出计划，到2029财年，对PWSA的总投资计划将接近350亿美元。由于资金投入与产品设计和开发进度并不匹配，大量资金投入可能无法转化为实际作战能力，造成资源浪费。如果后续开发中无法及时解决技术问题，卫星星座可能无法按计划满足美国防部的作战需求。
4.4 OCT标准频繁修改增加了互操作能力实现风险
随着美太空发展局接纳更多反馈信息以及新需求和能力要求的出现，其OCT标准也在随之演进。OCT标准对成功实现激光通信至关重要，但太空发展局在各期之间进行了频繁重大更改，特别是在T0和T1之间对标准进行了重大修订，T1和T2间再次进行了修订。在各期多个承包商同时进行OCT开发的过程中进行这些更改，增加了不同供应商的OCT即便符合标准也无法互操作的风险，以及承包商无法按预期成本和进度满足新标准的风险。OCT标准的变化可能会导致各期卫星之间以及不同承包商制造的卫星之间通信困难。
到目前为止，太空发展局每期都是按照不同版本的OCT标准建造，这增加了实现预期能力的复杂性。图3展示了各期OCT标准的变化情况。
图3 太空发展局光通信标准开发时间表
此外，对于标准中未涵盖的通用设计决策，各承包商的理解需要达成一致才能确保开发的OCT实现互操作。即使对于标准中看似简单明了的要求，不同承包商可能也会有不同解读，从而导致设计不兼容。
未来，T3计划对标准进行更大修改。2024年6月，太空发展局发布了SDA OCT标准4.0版。此标准是为了支持与低地球轨道以外轨道之间的激光链路。此版标准变化很大，与早期标准的渐进式修改不同，此次修改被承包商描述为“革命性”的。满足新标准要求可能意味着要修改硬件和软件。
05 结语
激光通信技术对于美国国防部太空战略意义重大，是实现其低轨卫星星座高效运行的关键。美国政府审计署审计报告认为，太空发展局正在采取重要措施开发激光通信技术，但还需提升技术成熟度，全面验证技术能力；同时优化开发流程，确保后续开发能充分利用前期成果，不断改进设计和实施方案，避免盲目资金投入同时降低项目风险；还需及时、全面向利益相关者公开各期在轨测试计划和结果，加强信息共享，促进各方协同合作，确保项目顺利推进。
PWSA项目持续推进，有望为美国防部提供强大的太空通信支持，增强其在太空领域的战略优势。未来，太空激光通信系统将在国防安全等领域发挥重要作用，改变太空作战的格局和方式。
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