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空间激光通信技术开启“太空互联网”之旅

时间:2017年08月18日 信息来源:解放军报 点击: 【字体:

日前,由美国国家航空航天局研发的“激光通信中继演示”系统即将进入开发整合与测试阶段。空间激光通信是指利用激光束作为载波,在空间直接进行语音、数据和图像等信息双向传送的技术。不仅传输速率高、抗干扰能力强,还具有设备体积小、重量轻、能耗低等特点,将为人类走向太空和空天军事技术应用带来革命性变化。

未来,空间激光通信有望成为星地间数据传输的关键技术,并实现与地面光纤网络的互补,从而建立起包含卫星和大气层内外的立体交叉激光通信网,彻底颠覆现有的全球通信系统,成为满足大数据时代信息传输需求的大带宽高速通信网络。

“你好,世界!”这句看似普通的话,或将开启人类探索太空的新时代。这句话来自美国国家航空航天局录制的一段37秒的高清视频,跨越太空和大气层回传到地面用时3.5秒。虽然在如今的“4G时代”这个速率有些不值一提,但若不是采用了激光通信技术,传统的无线电传输则至少需要10分钟。

从烽火狼烟到太空WiFi

传统的无线电通信技术有着自身不可避免的缺陷,不仅由于各种通信波段之间相互干扰会影响通信质量,想要在“寸土寸金”的航天器上增加天线面积和数量来提升通信效果也真的比“登天”还难。更为重要的是,随着空间通信数据形式的不断丰富,单纯的无线电通信已经难以满足急剧增长的通信带宽需求,易受干扰的无线电波也加剧了太空军事应用的风险。

曾几何时,人们就曾利用“烽火狼烟”接力通信,将千里之外的边关战事信息第一时间传递至内地。从上个世纪60年代激光发明之后,利用激光进行无线光通信就成为研究的热点。说起激光通信,可能还有点陌生,但如果一提到光纤通信,我想大家都耳熟能详。其实,光纤通信只是激光通信的一个具体应用,是指激光在光纤介质中的传输。空间激光通信主要利用激光作为载体,将信息加载到激光上发送,并在外太空等自由空间内进行信息传输,到了接收端经过一系列光电变换就可实现信息的传输和通信。

美国国家航空航天局此次研究的“激光通信中继演示”系统就是典型的空间激光通信系统,有望使空间信息传输速率提升至100倍,未来甚至可能演变成太空“高速互联网”。预计美国国家航空航天局最早将于2019年发射该演示系统的通信卫星并建立地面站,届时将实现从“烽火狼烟”到“太空WiFi”的革命性变化。

建立太空通信“高速路”

目前已有数以千计的各类飞行器围绕地球高速运转,尤其需要与地面站之间高效通信。现有的微波和毫米波等空间通信方式虽然日渐成熟,但受限于码速和带宽等方面的限制,已无法满足未来太空民用和军事应用对空间通信的需求,如何在太空铺设信息“高速路”成为当务之急。

其实,激光通信已经深刻融入信息时代每个人的“网络”生活,但说到为航天器建一个太空通信“高速路”,还是最近几年的事。早在2008年,美国和德国的两颗卫星就使用激光终端成功在太空进行了“飞鸽传书”——在相距5000公里的宇宙空间借助光学链路实现了数据传输。随后,美国国家航空航天局还利用激光通信将“蒙娜丽莎”传送到绕月飞行的“月球勘测轨道飞行器”上。俄罗斯也曾利用激光通信将电子数据回传到地面接收站,并一口气传输了2.8GB的太空数据。

2013年10月,美国成功开展了“月球激光通信演示”验证,实现了从月球轨道到地球多个地面站的激光双向通信试验,最远通信距离接近40万公里,充分验证了空间激光通信的关键技术和长距离通信的可行性。2014年6月,美国又进行了“激光通信科学光学载荷”试验,同时还对微小卫星搭载激光通信终端实现卫星间和星地激光通信进行了初步探索。

目前,美国正在进行“激光通信中继演示”验证,计划于今年开展地球同步轨道卫星与地面接收站的双向高速通信,并进一步借助卫星完成地面两个接收站间的激光中继通信试验,将为未来深空探测太空通信网络和建设太空“信息高速路”提供技术验证。

未来必将“星光闪耀”

在空间激光通信领域,并不是只有美国一枝独秀,而是众多航天军事大国“星光闪耀”。早在1995年,日本“工程测试卫星”就在美国国家航空航天局的协助下,首次开展了星地激光通信。随后,欧洲、日本相继开展了星间激光通信试验,俄罗斯也实现了空间站与地面站的高速激光通信。这些国家之所以聚焦空间激光通信,正是看到了其在未来空间通信中巨大的发展前景。

经过早期的技术探索,欧洲航天局在空间激光通信领域也积累了一定的技术经验。在2008年正式开始的“数据中继卫星系统”试验中,欧洲航天局就应用了空间激光通信终端技术,标志着欧洲在空间激光通信领域取得了“里程碑”式的重大突破。目前,欧洲航天局已经实现了世界上首个实际应用并投入运营的空间激光通信系统——“欧洲数据中继系统”项目,一举解决了欧盟“哥白尼哨兵”系统、未来地球观测等空间任务海量数据的传输问题。同时,日本也积极开展“先进空间光通信技术卫星”计划,旨在通过开发适合搭载小型卫星的激光通信终端,实现遥感图像和遥测数据的激光通信传输,预计将于2019年发射“激光数据中继卫星”,实现其所有空间遥感和侦察卫星数据链路的初步整合。

当然,空间激光通信要想真正进入“寻常百姓家”,还面临着空间传输损耗大、光信号衰减、发射与接收瞄准困难以及超远距离传输等诸多问题,甚至还有可能在某些领域被量子通信所取代。但随着相关技术的不断改进升级,借助空间激光通信,实现更快更好的太空“飞鸽传书”终将不是梦。


(作者:张乃千 唐 嘉)
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