中、美、歐誰將率先實現(xiàn)空間激光通信 看完你就知道了

航天員景海鵬、陳冬生活在天宮二號的時間里，我們親眼見證兩位航天員與***通話，在太空泡茶、跑步、種菜，甚至還能收看新聞聯(lián)播！而實現(xiàn)這一切天地的“親密接觸”全依賴于空間通信技術(shù)。

習近平***與神舟十一號航天員通話

今天，就給大家介紹一種空間通信技術(shù)，它有“太空寬帶”之稱，受到各大技術(shù)強國的普遍“追捧”，它就是空間激光通信。

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目前，衛(wèi)星上常用的微波通信由于載波頻率的限制，通信速率在應(yīng)用上已經(jīng)接近極限，微波通信逐漸變得“心有余而力不足”。

空間激光通信是以激光為載波，激光的頻率很高，比微波的頻率高3-4個數(shù)量級，有非常巨大的通信容量，可以輕松實現(xiàn)10Gbps以上的通信速率，采用復用的手段能獲得Tbps以上的通信速率，輕松實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的實時傳輸。

另外，空間激光通信還具有抗干擾能力強、抗截獲能力強、安全保密性好、體積小重量輕功耗低等優(yōu)點，通信的質(zhì)量更高。

NASA利用LADEE建立地月激光通信鏈路，通信速率可達622Mbps

如何實現(xiàn)空間激光通信

簡單點說，空間激光通信就是將信息電信號通過調(diào)制加載在激光上，通信的兩端通過初定位和調(diào)整，再經(jīng)過光束的捕獲、瞄準、跟蹤建立起動態(tài)光通信鏈路，然后光再通過真空或大氣信道傳輸信息。

空間激光通信系統(tǒng)是極其復雜的。它包括了光源系統(tǒng)，發(fā)射和接收系統(tǒng)，信標系統(tǒng)，捕獲、瞄準、跟蹤（APT）系統(tǒng)以及其它輔助系統(tǒng)。其中，捕獲、瞄準、跟蹤（APT）分系統(tǒng)是空間激光通信系統(tǒng)所特有的系統(tǒng)。

APT分系統(tǒng)主要負責空間激光通信鏈路的建立和保持，由于空間激光通信終端的光束發(fā)散角非常小，為微弧度量級，這對APT系統(tǒng)提出了非常高的要求，跟瞄精度達到1μrad左右。這個精度被日本學者喻為在日本東京觀測富士山上一支移動的繡花針的針尖。

哪些才算空間激光通信

空間激光通信的鏈路共有6類：星間激光通信、星地激光通信、星空激光通信、空空激光通信、空地激光通信、地地激光通信。

空間激光通信鏈路示意圖

星間激光通信鏈路的信道是自由空間信道，沒有大氣、氣象等因素的干擾，是激光通信最合適的應(yīng)用場合，因此各國都選擇星間激光通信鏈路作為激光通信在空間應(yīng)用的切入點。

相比星間激光通信鏈路，星地激光通信的激光信號需要經(jīng)歷自由空間、大氣湍流隨機信道，云、雨、霧霾等氣象條件的影響，實現(xiàn)高可靠和高可用度應(yīng)用難度大。

但空間的數(shù)據(jù)最終都要向地面?zhèn)鬟f，因此星地激光通信技術(shù)是目前空間激光通信的瓶頸，也是目前研究的重點和難點。

經(jīng)過多年的研究，科學家們發(fā)現(xiàn)，實現(xiàn)空間激光通信的技術(shù)難題主要集中在幾大塊——

跟蹤難！大氣干擾！距離遠！

捕獲、瞄準、跟蹤技術(shù)是空間激光通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。從前文的敘述中可以看出，技術(shù)難度不是一般的高啊。不確定區(qū)域大，光束束散角小，平臺振動以及通信平臺之間的相對運動影響都是攻克這一技術(shù)的難點。

大氣干擾對激光通信影響很大。激光束通過大氣傳輸時存在損耗、湍流、激光波前畸變等情況，不僅影響通信速率和通信效果，嚴重時甚至無法通信。

空間激光通信的傳輸長度動輒以幾千千米、幾萬千米計算，激光在這么長距離的傳輸中會產(chǎn)生很大的能量損失，接收的光信號往往十分微弱，此外，背景光（太陽、月亮、星體等）也將產(chǎn)生很強的干擾，大大增加了光信號的接收難度。

激光的特性決定了空間激光通信適合點與點之間的安全通信，組網(wǎng)時需要大面積覆蓋也比較困難。

通過中繼衛(wèi)星進行火星與地球的激光通信

空間激光通信的“家族”

空間激光通信的研究已開展多年，但直到近幾年，技術(shù)的突破與帶寬的提升才真正推動空間激光通信進入了應(yīng)用階段。

歐洲數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)（EDRS）計劃

2016年1月30日，歐空局成功發(fā)射通信衛(wèi)星EDRS—A，該衛(wèi)星可提供激光和Ka波段兩種雙向星間鏈路，星間傳輸速率可達1.8Gbit/s。EDRS計劃是首個商業(yè)化運營的高速率空間激光通信系統(tǒng)，標志著空間激光通信已從技術(shù)演示轉(zhuǎn)入應(yīng)用階段。

EDRS計劃涉及1個地面站、2個低軌衛(wèi)星（Sentinel1A、Sentinel 2）和3個高軌衛(wèi)星（Alphasat、EDRS-A和EDRS-C），由近地軌道衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù)到靜地軌道的中繼衛(wèi)星，再經(jīng)過中繼衛(wèi)星傳輸，將數(shù)據(jù)傳回地面。

歐空局擬在2017年中期發(fā)射EDRS-C，這一衛(wèi)星僅提供激光鏈路。并在2020年補充第三顆衛(wèi)星“全球網(wǎng)”（GlobleNet），從而實現(xiàn)全球數(shù)據(jù)中繼服務(wù)。

EDRS激光通信演示

美國激光通信中繼演示系統(tǒng)（LCRD）計劃

2017年，美國宇航局將發(fā)射“激光通信中繼演示衛(wèi)星”（LCRD），通信鏈路包括GEO（地球同步軌道）衛(wèi)星與地面站之間的雙向激光通信鏈路，地面站—GEO—地面站的中繼激光通信鏈路，期望在地球同步軌道與地面站間實現(xiàn)高達2.88Gbps的通信速率。

LCRD通信鏈路演示

同時，美國在激光通信組網(wǎng)方面提出了一系列計劃。2010年提出的轉(zhuǎn)型衛(wèi)星通信計劃（TSAT），將星地通信、星間通信、星空通信、空空通信等納入通信組網(wǎng)中，實現(xiàn)已有的微波通信向激光通信轉(zhuǎn)型。

2014年，美國開始研究“衛(wèi)星一地面全球混合全光學網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)”，基于中地球軌道激光通信系統(tǒng)，集成空間光通信與地面和海底光纖通信網(wǎng)絡(luò)，以期實現(xiàn)4.8Tbit/s的星間激光通信速率和200Jbit/s的星地雙向激光通信。

日本“激光數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”計劃

日本計劃在2019年發(fā)射“激光數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”，將當前數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)的微波鏈路替換為激光鏈路，預設(shè)通信速率達2.5Gbit/s。

中國“墨子號”量子衛(wèi)星

2016年8月16日，全球首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”成功發(fā)射，有效載荷之一為空間高速相干激光通信分系統(tǒng)。

空間激光通信將帶來通信的革命，相信在不久的將來，我們就能享受空間激光通信帶來的便捷。