通信世界网消息（CWW）随着全球卫星互联网星座的迅猛发展及我国“天地一体”信息基础设施战略的推进，星地融合光通信因其超大带宽、高安全性和低功耗等优势，成为构建下一代空天地一体化信息基础设施的核心技术之一。本文系统分析了星地融合光通信的发展现状与驱动力，深入探讨了其在高速动态环境下面临的确定性传输、系统融合及智能管控等关键技术挑战。在此基础上，提出了以“简化、融合、协同”为核心理念的空间光传送网系统架构、基于增强OTN的协议体系、以及融合AI与数字孪生的智能管控等创新技术路径。最后，本文总结了国内外面向6G的空天光通信标准化进展，并对未来技术发展与产业生态构建提出了展望与建议。
引言
当前，世界正加速迈向全域覆盖的数字化时代。为实现从人口覆盖到国土与海洋全覆盖的网络服务，卫星网络已成为不可或缺的基础设施。国际上Starlink、OneWeb等大型低轨星座的快速部署，标志着空间通信已进入大规模组网时代。截至2025年10月，Starlink在轨卫星数量已超过8600颗，并部署了超过14000台激光通信终端，充分证明了激光星间链路（ISL）在实现星座自主组网中的关键作用。
在此背景下，星地融合光通信技术旨在利用激光通信，将星间、星地与地面光网络无缝融合，构建一个高速率、高安全、高可靠的空天地一体化信息基础设施。然而，空间环境的高动态特性、技术体制的差异以及载荷平台的严格限制，为该技术的成熟与应用带来了严峻挑战。
发展现状与驱动力
自20世纪90年代起，欧美日等航天强国便持续投入空间激光通信技术研究，已实现从技术验证到业务应用的跨越。以TESAT、Mynaric为代表的商业公司推动了激光通信终端（LCT）的商业化与低成本化，其产品已广泛用于美国太空发展局（SDA）等重大项目，速率覆盖2.5Gbps至10Gbps，并正向200Gbps乃至1Tbps迈进。
随着国家“天地一体”信息基础设施的战略布局，低轨星座建设带来的海量星间、星地互联需求，以及5G-A/6G、高清遥感、深空探测等潜在应用对高速率、高安全通信的迫切要求，我国在空间光通信领域虽起步稍晚但发展迅猛。近年来，通过多次成功的星地、星间在轨试验，完成星间 400Gbps、星地 100Gbps 传输能力验证。国内航天、中科院体系及民营企业共同发力，产业链初步形成。
核心挑战与技术路径
空天光通信的“高动态”特性是一个多维度的复合挑战，具体表现为：
（一）轨道与拓扑动态：链路“快速重构”
卫星以约7.8km/s的高速运动，导致网络拓扑持续剧烈变化。尽管单条激光链路的理论最长存续时间可达数周，但为构建端到端稳定路由，需要网络具备分钟级甚至秒级的快速路由重构与链路切换能力。
（二）运动与频偏动态：信号“实时跟踪”
在1550nm波段，高速相对运动导致的多普勒频偏高达±1.2GHz，且频偏变化率可达100MHz/s。同时，星间距离的快速变化（500-6000km）引入10-20ms量级的传输时延抖动。这对相干光通信系统中的载波同步和帧同步技术提出了极限要求。
（三）信道与环境动态：传输“随机扰动”
在卫星通信环境下，主要受到以下因素制约：
大气湍流：是星地链路的首要瓶颈，可引起超过±10dB的光强闪烁，导致突发误码率高于10⁻³。
平台微振动：卫星平台的振动频率通常在100Hz左右，虽幅度微小（微弧度级），但会直接导致光束指向偏差，降低接收光功率。
空间干扰：包括日凌导致的规律性中断、太阳及宇宙背景辐射噪声、以及单粒子效应对光电器件的潜在损伤。
（四）业务类型动态：承载“差异化适配”
空天网络需同时承载语音/测控（高优先级、低时延）、遥感数据（高带宽、允许非实时）、宽带互联网（高吞吐量）和数据专线（高安全、高可用）等混合业务。在星上资源（功耗、算力、带宽）严格受限的条件下，实现资源的动态优化分配是巨大挑战。
面向确定性的关键技术与系统优化
（一）系统架构：简化、融合与协同
针对卫星网络对高动态组网和稳定性传输的需求，中国移动提出空间光传送网的概念，利用空间光通信技术构建具备高速传输且灵活组网的基础网络，目标是将星间、星地、地面光通信融合为可无缝对接的天地一体化系统，提供高速率、高安全及高可靠的通信服务，并根据业务需求提供差异化服务。依据卫星运行有强周期性特征（轨迹、日凌准确预测），基于卫星运行的可预测性，实时计算、快速配置全网资源，最终达成与地面光通信相当水平的业务传输能力。
图1 空间光传送网架构示意图
首先提升系统效能的关键在于硬件系统的集成简化与协议的融合：
系统简化：推动激光通信系统与星载路由器的深度融合。具体包括：控制单元集成（“一拖多”），通信功能融合（光学头与路由器的光电转换功能整合），以及在星载路由上集成OTN处理功能，实现跨层融合。
星地协同：通过“微波激光复合通信”、“多点选址布站”和“融合抗湍流技术”提升星地链路可用度。地面站采用激光/微波一体化建设方案，星上采用共口径天线。抗湍流方面，结合自适应光学（AO）与少模光纤分集接收（MDR）等技术，形成“1+1>2”的补偿效果。
（二）传输协议：增强OTN构建确定性传输体系
为解决空间高动态环境下的确定性传输问题，将成熟的地面光传送网（OTN）技术进行空间增强是行之有效的路径。与传统的航天数据系统咨询委员会（CCSDS）定义的协议相比，增强OTN具备承载效率高（提升至87%）、运维功能丰富、多业务隔离能力强等优势。
中国移动牵头在CCSA立项的《卫星激光通信链路层协议》行标，对OTN在空间光传送网的应用进行了针对性增强：
辅助跟瞄：增加轨道、光功率等信息，提升跟踪稳定性。
终端状态快速传递：实现终端健康状态的实时监控。
集成测距功能：预留时间字段，支持星间高精度测距。
星间指令转发：支持对其他卫星载荷的遥测遥控。
同时，可以考虑结合时间敏感网络（TSN）技术，可构建面向多业务SLA的差异化承载能力，实现钻石级（<50ms永久保护）、金级、银级等不同等级的可靠性保障，满足从高安全专线到普通互联网业务的全场景需求。
（三）AI增强的高精度ATP系统：从“被动跟踪”到“主动预测”
ATP系统是激光链路的“领航员”，其性能直接决定链路能否建立与维持。传统基于反馈的控制回路在极端动态下易失锁，引入AI技术可从三个维度实现增强：
智能预测与预瞄准：基于精确的卫星星历数据，结合历史轨道偏差及实时大气湍流监测数据，构建长短期记忆网络（LSTM，捕捉长期规律）+ 门控循环单元（GRU，响应短期突变）的混合神经网络模型。该模型预期能够提前数百毫秒预测卫星的相对位置和光束漂移趋势，驱动粗瞄机构进行预调整，将初始捕获时间从传统的分钟级缩短至数秒以内。
实时信道感知与自适应跟踪：在精跟踪阶段，采用轻量化卷积神经网络（CNN），对接收端光斑的图像序列进行实时分析，快速提取光斑中心偏移、形状畸变、强度闪烁等特征向量。这些特征直接映射到大气湍流强度与平台振动频谱，进而动态调整精瞄机构的控制环参数（如带宽、增益），形成一个“感知-分析-控制”的毫秒级智能闭环。
图2 实时信道感知与跟踪参数自适应原理示意图
模态数据融合的故障自愈：融合ATP系统的位置传感器、光功率探测器、星上惯性测量单元（IMU）等多源数据，通过Transformer注意力机制，精准定位异常源（如传感器漂移、执行机构卡滞）。当检测到单一传感器失效时，系统能自动切换至基于多源数据融合的鲁棒跟踪模式，确保在局部故障下的链路连续性。
（四）高动态环境物理层传输关键技术：应对“极弱OSNR”挑战
星间传输本质上是一个极弱信号接收放大的系统，其信噪比（OSNR）受限机制与地面掺铒光纤放大器（EDFA）级联系统截然不同，主要噪声源为放大自发辐射（ASE）噪声。结合地面光通信成熟产业链优势，从信号发射、放大、接收三个环节进行优化，适配空间光传送网应用场景。
高稳激光源与先进调制：采用窄线宽、高频率稳定度的激光器作为光源，是抑制相位噪声、实现高阶相干调制（如DP-16QAM）的基础。同时，研究对非线性损伤和相位噪声更具容忍性的概率整形（PS） 等技术，在特定OSNR下接近香农极限。
轻量化终端与简化DSP：星上载荷的严格限制要求终端必须轻量化、低功耗。在数字信号处理（DSP）层面，需重新审视其算法结构。由于空间光通信不存在地面光纤中的色散和非线性效应，相应的补偿算法可以大幅简化或移除。研究重点应转向针对大气湍流引起的相位畸变、以及高速多普勒频偏的快速估计与补偿算法，从而降低DSP的计算复杂度和功耗。
高灵敏度接收与新型放大技术：发展超高灵敏度相干接收机，并探索超高功率光纤放大器（如通过增大纤芯直径或采用空芯光纤）以提升发射功率。同时，研究在接收端使用低噪声光学预放大器，优化系统的链路预算，对抗巨大的几何扩散损耗。
（五）星地协同与智能管控：“感知-决策-执行”闭环
为实现空天光网络的“确定性”，可考虑将卫星节点的管控功能前移，并与地面网络深度协同。
星载管控功能部署：在卫星节点部署轻量化的管控单元，具备通道性能实时计算与感知能力。它能根据星间距离、光器件特性等，实时计算链路OSNR余量，判断链路可用性，并为路由规划提供依据。
数字孪生驱动的智能运维：在地面构建空间光网络的数字孪生系统。该系统接入实时遥测数据（光功率、指向误差、BER等），通过高保真模型（如光纤模型、EDFA模型、OSNR模型）在数字空间中进行映射和仿真。其核心价值在于：
预测性维护：基于历史数据与模型，预测器件性能劣化趋势和潜在故障点。
策略预验证：在网络执行功率调整、路由切换等优化指令前，在数字孪生体中提前进行仿真验证，确保操作安全。
资源预调度：利用卫星轨道的强可预测性，提前计算并配置全网的资源分配策略，实现“规划即服务”。
AI赋能的网络自优化：基于数字孪生平台产生的大量数据，训练深度强化学习（DRL）等AI模型，用于解决复杂的网络优化问题，如全局波长分配、抗毁路由规划、跨层资源调度等，最终实现网络从“人工运维”到“自治自愈”的转变。
标准化进展与产业发展建议
在国际标准方面，国际上CCSDS的研究最为深入，其标准可直接转化为ISO标准。2023年启动的相干光通信标准项目预计于2025年发布。在国内，标准体系建设呈现多方并举的态势。CCSA-TC12、全国宇航标委会（TC425）和中科院空间科学标委会（TC312）均开展了相关工作。当务之急是推动这三个体系的协同联动，共同构建统一、开放的卫星光通信标准生态。标准规划建议如下：
（一）近期：聚焦物理层规范、通信协议、整机与器件标准立项，推动激光载荷产品在轨互联互通。
（二）中期：加强国内航天与通信两大系统的深度融合，通过开展联合测试（如在轨卫星+地面网络），加速新技术验证和推广。
（三）长期：积极参与包括CCSDS、ITU-T在内的国际标准制定，逐步提升我国在空天信息领域的国际话语权。
总结与展望
如同地面光网络一样，星地融合光通信是构建6G时代“空天地一体”基础网络的核心支柱之一。本文分析了空间光通信发展现状，指出其所面临的高动态、异构融合等挑战，并系统性地提出了空间光传送网的架构，通过系统简化融合、增强OTN协议及AI智能管控等技术路径来应对挑战。
展望未来，中国移动等运营商正联合产业界，以技术创新为内核、标准引领为纽带、生态协同为支撑，全力推动空间光传送网从“单点技术突破”走向“全局规模商用”。充分利用我国在地面光通信领域的全产业链优势，并与航天工业深度协同，有望在这一战略性新兴领域实现跨越式发展，筑牢未来数字世界的空天信息基石。
