導(dǎo)讀：除了SDA的光通信標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一計(jì)劃，美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局也在與私營部門合作，努力開發(fā)一種標(biāo)準(zhǔn)的多功能低成本激光終端，以連接低地球軌道上的政府和商業(yè)星座，這個(gè)項(xiàng)目就是天基自適應(yīng)通信節(jié)點(diǎn)(BACN)。

更快的集成方法

當(dāng)前，天基激光通信缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，SDA的PWSA計(jì)劃促進(jìn)了一部分光學(xué)星間通信的統(tǒng)一，但是其他公司諸如SpaceX和亞馬遜等也在嘗試開發(fā)各自的解決方案，例如SpaceX已經(jīng)部署了部分具備激光通信能力的衛(wèi)星，未來將這種技術(shù)部署擴(kuò)展到整個(gè)星座。對(duì)此，特別是考慮到他們的供應(yīng)鏈通常較為封閉，雖然這些公司很積極地支持激光通信技術(shù)，但他們不太可能成為PWSA衛(wèi)星激光通信終端設(shè)備的同批用戶。

因此，除了SDA的光通信標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一計(jì)劃，美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局也在與私營部門合作，努力開發(fā)一種標(biāo)準(zhǔn)的多功能低成本激光終端，以連接低地球軌道上的政府和商業(yè)星座，這個(gè)項(xiàng)目就是天基自適應(yīng)通信節(jié)點(diǎn)(Space-Based Adaptive communication Node，簡稱BACN)。

天基自適應(yīng)通信節(jié)點(diǎn)(BACN)旨在創(chuàng)造一種可重新配置的衛(wèi)星間光通信終端，這種終端體積小、重量輕、功耗低、成本低(SWaP-C)，易于集成到小型衛(wèi)星上，同時(shí)也是一種跨星座指揮和控制方法(C2)。基于在任務(wù)優(yōu)化動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)(DyNAMO)計(jì)劃中開發(fā)的技術(shù)，BACN將使在不同衛(wèi)星間光鏈路(OISL)規(guī)格上運(yùn)行的不同衛(wèi)星群之間能夠進(jìn)行在軌通信和數(shù)據(jù)中繼。BACN項(xiàng)目還將開發(fā)一個(gè)C2系統(tǒng)，根據(jù)可用性和任務(wù)要求控制訪問和配置星座之間的連接。根據(jù)這一計(jì)劃開發(fā)的技術(shù)將移交給美國陸軍和太空發(fā)展局(SDA)。

BACN針對(duì)的場景

當(dāng)前，缺乏溝通和感知已經(jīng)損害了第一反應(yīng)者快速行動(dòng)和提供支援的能力。在一個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)上收集的圖像不會(huì)立即提供給使用不同衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行通信的響應(yīng)者。如果兩隊(duì)任務(wù)人員使用來自兩個(gè)不同衛(wèi)星星座的通信，那么他們的通信能力將會(huì)受到限制。

BACN的思路

雖然高度專業(yè)化的系統(tǒng)仍然是FSOC其中一些應(yīng)用所必需的，但DARPA通過空間BACN計(jì)劃，正在尋找降低這一技術(shù)核心要素成本的方法，以使各種最終用戶更容易在更大范圍內(nèi)采用這一技術(shù)。

BACN的目標(biāo)不是強(qiáng)加一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，而是生產(chǎn)一個(gè)可以從許多不同系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)的終端。即，如果每個(gè)供應(yīng)商都在說自己的“語言”(使用自己的波形，自己的編碼協(xié)議)最終國防部將擁有的是一些互不相連的孤島。而BACN的目的則是成為多“語言”能力者。

BACN為美國軍方提供了一條捷徑，使其能夠更快地利用未來的商業(yè)星座來成倍增強(qiáng)其天基能力。美國空軍已經(jīng)與私營航天公司SpaceX合作探索Starlink衛(wèi)星用來支持軍事行動(dòng)的可能。基于激光的衛(wèi)星通信系統(tǒng)已經(jīng)在MQ-9上測試。甚至可以確定，該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于美空軍機(jī)密的高空、長航時(shí)(HALE)隱形無人機(jī)RQ-180。

DARPA BACN概念圖

如果要達(dá)到所要求的普及性，BACN終端還必須滿足三個(gè)“100”基準(zhǔn)——它必須具有100Gbps的數(shù)據(jù)速率，它必須使用不到100瓦的功率，它的成本必須低于100k(十萬美元)。

DARPA BACN概念圖

技術(shù)、挑戰(zhàn)和主要參與者

如圖所示，BACN項(xiàng)目涉及三個(gè)技術(shù)領(lǐng)域:

TA1:前端由基于1550nm波長的低成本、低損耗光學(xué)孔徑組成。要求是它必須支持進(jìn)入單模光纖的相干光通信。CACI、MBryonics和Mynaric獲得了這方面的開發(fā)合同。

TA2:后端包括可重新配置的低成本調(diào)制解調(diào)器，可以滿足100 Gbps的目標(biāo)。在RF領(lǐng)域，軟件定義無線電(SDR)通常依賴基于FPGA的解決方案，可實(shí)現(xiàn)數(shù)Gbps，具有靈活性優(yōu)勢。另一方面，had ASICs傳統(tǒng)上用于速度為數(shù)百Gbps的光調(diào)制解調(diào)器。這里的目標(biāo)是嘗試結(jié)合兩種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，即100Gbps的可重構(gòu)性。相干公司、亞利桑那州立大學(xué)和英特爾公司將致力于研制這種調(diào)制解調(diào)器。

TA3:領(lǐng)域的重點(diǎn)是使來自不同制造商的前端終端和后端調(diào)制解調(diào)器可以互換。TA3將制定一個(gè)通用接口標(biāo)準(zhǔn)，以支持跨星座的星間光學(xué)鏈路通信。這項(xiàng)工作需要大型衛(wèi)星公司，如SpaceX、Telesat、SpaceLink、Viasat和Kuiper Government Solutions。

參與情況

以下是上述公司的技術(shù)和一些計(jì)劃中的解決方案。

Mynaric是一家專門從事激光通信產(chǎn)品的公司，是TA1光學(xué)孔徑開發(fā)的一部分。他們擁有像Condor MK3光通信終端(如圖所示)這樣的現(xiàn)有產(chǎn)品，可以放置在LEO衛(wèi)星上，支持各種軌道的平面內(nèi)和跨平面的星間連接，以及空天或星地通信。它支持長達(dá)10000公里的鏈路距離和高達(dá)100 Gbps的靈活數(shù)據(jù)速率。

Mynaric Condor MK3光通信終端

LEO的速度約為7.8公里/秒。窄激光束需要極高的精度才能將光束對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，許多技術(shù)開發(fā)都集中在這一點(diǎn)上。Mynaric使用一個(gè)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的透鏡和傾斜反射鏡組成的系統(tǒng)，可以將激光軌跡調(diào)整到百萬分之57.2度。

總部位于愛爾蘭的Mbryonics是另一家致力于TA1開發(fā)的公司。Mbryonics利用電子信號(hào)來改變光的相位，從而精確地調(diào)整光束方向?；趩文Ｏ喔晒饫w的孔徑的另一個(gè)挑戰(zhàn)是對(duì)進(jìn)入單模光纖的光子的檢測和聚焦。這在傳統(tǒng)上是昂貴的，并且需要大量的人力。Mbryonics計(jì)劃使用一種復(fù)雜的曲面，將光子重定向到聚焦設(shè)備，然后將其發(fā)送到光纖。這必須跨越太空中可能存在的巨大熱和振動(dòng)波動(dòng)。

致力于信息技術(shù)的美國公司CACI開發(fā)了一種基于FSOC激光的終端，稱為緊湊型衛(wèi)星間通信和數(shù)據(jù)鏈路(CICADA)。計(jì)劃用于CACI FSOC系統(tǒng)的一些應(yīng)用，包括獵戶座ArtemisⅡ月球任務(wù)，在該任務(wù)中，它將用于展示繞月軌道上的宇宙飛船的寬帶數(shù)據(jù)能力。

英特爾公司正致力于開發(fā)低功耗處理器，以滿足BACN項(xiàng)目小于100 W的功耗要求。以所需的數(shù)據(jù)處理速度實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)具有挑戰(zhàn)性，一種方法可以是使用許多小芯片。

小結(jié)

據(jù)估計(jì)，未來十年將有10到數(shù)千顆低地球軌道衛(wèi)星被發(fā)射到太空。OISL和使用人工智能的智能路由工具可以將衛(wèi)星星座轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芫W(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，使其具有彈性和高效率。BACN項(xiàng)目設(shè)想的低成本、高數(shù)據(jù)速率和“多語言”終端可以跨越低地球軌道星座運(yùn)營商使用的各種不同協(xié)議進(jìn)行通信，可以推動(dòng)下一代天基互聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)建。