美国国防高级研究计划局光通信项目研究

导读：除了SDA的光通信标准统一计划，美国国防高级研究计划局也在与私营部门合作，努力开发一种标准的多功能低成本激光终端，以连接低地球轨道上的政府和商业星座，这个项目就是天基自适应通信节点(BACN)。

更快的集成方法

当前，天基激光通信缺乏统一标准，SDA的PWSA计划促进了一部分光学星间通信的统一，但是其他公司诸如SpaceX和亚马逊等也在尝试开发各自的解决方案，例如SpaceX已经部署了部分具备激光通信能力的卫星，未来将这种技术部署扩展到整个星座。对此，特别是考虑到他们的供应链通常较为封闭，虽然这些公司很积极地支持激光通信技术，但他们不太可能成为PWSA卫星激光通信终端设备的同批用户。

因此，除了SDA的光通信标准统一计划，美国国防高级研究计划局也在与私营部门合作，努力开发一种标准的多功能低成本激光终端，以连接低地球轨道上的政府和商业星座，这个项目就是天基自适应通信节点(Space-Based Adaptive communication Node，简称BACN)。

天基自适应通信节点(BACN)旨在创造一种可重新配置的卫星间光通信终端，这种终端体积小、重量轻、功耗低、成本低(SWaP-C)，易于集成到小型卫星上，同时也是一种跨星座指挥和控制方法(C2)。基于在任务优化动态网络适应(DyNAMO)计划中开发的技术，BACN将使在不同卫星间光链路(OISL)规格上运行的不同卫星群之间能够进行在轨通信和数据中继。BACN项目还将开发一个C2系统，根据可用性和任务要求控制访问和配置星座之间的连接。根据这一计划开发的技术将移交给美国陆军和太空发展局(SDA)。

BACN针对的场景

当前，缺乏沟通和感知已经损害了第一反应者快速行动和提供支援的能力。在一个卫星系统上收集的图像不会立即提供给使用不同卫星系统进行通信的响应者。如果两队任务人员使用来自两个不同卫星星座的通信，那么他们的通信能力将会受到限制。

BACN的思路

虽然高度专业化的系统仍然是FSOC其中一些应用所必需的，但DARPA通过空间BACN计划，正在寻找降低这一技术核心要素成本的方法，以使各种最终用户更容易在更大范围内采用这一技术。

BACN的目标不是强加一个统一标准，而是生产一个可以从许多不同系统接收数据的终端。即，如果每个供应商都在说自己的“语言”(使用自己的波形，自己的编码协议)最终国防部将拥有的是一些互不相连的孤岛。而BACN的目的则是成为多“语言”能力者。

BACN为美国军方提供了一条捷径，使其能够更快地利用未来的商业星座来成倍增强其天基能力。美国空军已经与私营航天公司SpaceX合作探索Starlink卫星用来支持军事行动的可能。基于激光的卫星通信系统已经在MQ-9上测试。甚至可以确定，该项技术已经应用于美空军机密的高空、长航时(HALE)隐形无人机RQ-180。

DARPA BACN概念图

如果要达到所要求的普及性，BACN终端还必须满足三个“100”基准——它必须具有100Gbps的数据速率，它必须使用不到100瓦的功率，它的成本必须低于100k(十万美元)。

DARPA BACN概念图

技术、挑战和主要参与者

如图所示，BACN项目涉及三个技术领域:

TA1:前端由基于1550nm波长的低成本、低损耗光学孔径组成。要求是它必须支持进入单模光纤的相干光通信。CACI、MBryonics和Mynaric获得了这方面的开发合同。

TA2:后端包括可重新配置的低成本调制解调器，可以满足100 Gbps的目标。在RF领域，软件定义无线电(SDR)通常依赖基于FPGA的解决方案，可实现数Gbps，具有灵活性优势。另一方面，had ASICs传统上用于速度为数百Gbps的光调制解调器。这里的目标是尝试结合两种系统的优点，即100Gbps的可重构性。相干公司、亚利桑那州立大学和英特尔公司将致力于研制这种调制解调器。

TA3:领域的重点是使来自不同制造商的前端终端和后端调制解调器可以互换。TA3将制定一个通用接口标准，以支持跨星座的星间光学链路通信。这项工作需要大型卫星公司，如SpaceX、Telesat、SpaceLink、Viasat和Kuiper Government Solutions。

参与情况

以下是上述公司的技术和一些计划中的解决方案。

Mynaric是一家专门从事激光通信产品的公司，是TA1光学孔径开发的一部分。他们拥有像Condor MK3光通信终端(如图所示)这样的现有产品，可以放置在LEO卫星上，支持各种轨道的平面内和跨平面的星间连接，以及空天或星地通信。它支持长达10000公里的链路距离和高达100 Gbps的灵活数据速率。

Mynaric Condor MK3光通信终端

LEO的速度约为7.8公里/秒。窄激光束需要极高的精度才能将光束对准目标，许多技术开发都集中在这一点上。Mynaric使用一个由电机驱动的透镜和倾斜反射镜组成的系统，可以将激光轨迹调整到百万分之57.2度。

总部位于爱尔兰的Mbryonics是另一家致力于TA1开发的公司。Mbryonics利用电子信号来改变光的相位，从而精确地调整光束方向。基于单模相干光纤的孔径的另一个挑战是对进入单模光纤的光子的检测和聚焦。这在传统上是昂贵的，并且需要大量的人力。Mbryonics计划使用一种复杂的曲面，将光子重定向到聚焦设备，然后将其发送到光纤。这必须跨越太空中可能存在的巨大热和振动波动。

致力于信息技术的美国公司CACI开发了一种基于FSOC激光的终端，称为紧凑型卫星间通信和数据链路(CICADA)。计划用于CACI FSOC系统的一些应用，包括猎户座ArtemisⅡ月球任务，在该任务中，它将用于展示绕月轨道上的宇宙飞船的宽带数据能力。

英特尔公司正致力于开发低功耗处理器，以满足BACN项目小于100 W的功耗要求。以所需的数据处理速度实现这一点具有挑战性，一种方法可以是使用许多小芯片。

小结

据估计，未来十年将有10到数千颗低地球轨道卫星被发射到太空。OISL和使用人工智能的智能路由工具可以将卫星星座转变为智能网状网络，使其具有弹性和高效率。BACN项目设想的低成本、高数据速率和“多语言”终端可以跨越低地球轨道星座运营商使用的各种不同协议进行通信，可以推动下一代天基互联网的创建。