[科普中國(guó)]-空間激光通信：在太空“暗送秋波”

出品：科普中國(guó)

作者：璦敏工作室

策劃：白璐

監(jiān)制：光明網(wǎng)科普事業(yè)部

橫亙銀河，古老傳說中的牛郎與織女是如何“暗送秋波”；浩渺太空，隨著人類探索太空的步伐不斷深入，又該怎樣在無(wú)垠之中“飛鴿傳書”？隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，目前已有數(shù)以千計(jì)的各類飛行器夜以繼日圍繞地球高速運(yùn)轉(zhuǎn)，尤其需要與地面站或相互之間高效通信，如何在太空鋪設(shè)信息“高速路”成為當(dāng)務(wù)之急?？臻g激光通信利用激光束作為載波，在空間直接進(jìn)行語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和圖像等信息雙向傳送，近年來(lái)已經(jīng)得到各太空軍事大國(guó)的廣泛關(guān)注與研究，或?qū)槿祟愇磥?lái)走向太空和空天軍事應(yīng)用帶來(lái)顯著的“革命性”變革。

“太空Wifi”就要到來(lái)

“你好，世界！”這句看似普通的話，來(lái)自美國(guó)國(guó)家航空航天局錄制的一段長(zhǎng)為37秒的高清視頻。它跨越太空和大氣層回傳到地面用時(shí)3.5秒。雖然在如今的“4G時(shí)代”這個(gè)速率有些不值一提，但若不是采用了激光通信技術(shù)，傳統(tǒng)的無(wú)線電傳輸則至少需要10分鐘。

遨游在太空的航天器如何與地球保持通信，語(yǔ)音、數(shù)據(jù)甚至是圖像和視頻又是如何傳輸?shù)?？曾幾何時(shí)，人們就曾利用“烽火狼煙”接力通信，將千里之外的邊關(guān)戰(zhàn)事信息第一時(shí)間傳遞至內(nèi)地。從上個(gè)世紀(jì)60年代激光發(fā)明之后，利用激光進(jìn)行無(wú)線光通信就成為研究的熱點(diǎn)?？臻g激光通信主要利用激光作為載體，將信息加載到激光上發(fā)送，并在外太空等自由空間內(nèi)進(jìn)行傳輸，到了接收端經(jīng)過一系列光電變換就可實(shí)現(xiàn)信息的傳輸和通信。

相比于傳統(tǒng)的無(wú)線電通信方式，空間激光通信技術(shù)采用光波作為信息載體，擁有更大的可利用頻帶。同時(shí)，激光通信大大降低了通信過程中信息被截取的可能性，保密性和安全性更好，還有效避免了全球無(wú)線電頻譜資源匱乏的困境。空間激光通信系統(tǒng)所擁有的更小體積、更輕質(zhì)量和更低功耗，也是助力其走向太空的動(dòng)力源泉。預(yù)計(jì)美國(guó)國(guó)家航空航天局最早將于2019年發(fā)射該演示系統(tǒng)的通信衛(wèi)星并建立地面站，屆時(shí)將實(shí)現(xiàn)從“烽火狼煙”到“太空Wifi”的革命性改變。

信息“高速路”如何鋪設(shè)

激光通信已經(jīng)深刻融入信息時(shí)代每個(gè)人的“網(wǎng)絡(luò)”生活，但說到為航天器建一個(gè)太空通信“高速路”，還是最近幾年的事。早在2008年，美國(guó)和德國(guó)的兩顆衛(wèi)星就使用激光終端成功在太空進(jìn)行了“飛鴿傳書”，在相距5000公里的宇宙空間借助光學(xué)鏈路實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸。

在空間激光通信領(lǐng)域，美國(guó)作為傳統(tǒng)航天大國(guó)格外上心。在此之前，美國(guó)就通過開展“激光通信演示系統(tǒng)”、“國(guó)際軌道空間站光通信”、“同步軌道輕量技術(shù)實(shí)驗(yàn)”、“火星激光通信演示系統(tǒng)”和“轉(zhuǎn)型衛(wèi)星通信系統(tǒng)”等一系列項(xiàng)目研究積累了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。2014年6月，美國(guó)成功進(jìn)行了“激光通信科學(xué)光學(xué)載荷”試驗(yàn)，借助光通信和傳感演示項(xiàng)目對(duì)微小衛(wèi)星搭載激光通信終端實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星間和星地激光通信進(jìn)行了初步探索。與此同時(shí)，歐洲、日本相繼開展了星間激光通信試驗(yàn)，俄羅斯也曾利用激光通信將電子數(shù)據(jù)回傳到地面接收站，并一口氣傳輸了2.8GB的太空數(shù)據(jù)。

這些航天大國(guó)之所以聚焦空間激光通信，正是看到了其在未來(lái)空間通信中的巨大應(yīng)用前景。目前，美國(guó)正在積極開展“激光通信中繼演示驗(yàn)證”，計(jì)劃借助衛(wèi)星完成地面兩個(gè)接收站間的激光中繼通信試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)真正的太空“鴻雁傳書”。

加快實(shí)現(xiàn)星“光”閃耀

空間激光通信的出現(xiàn)，有效解決了無(wú)線電通信保密性差、抗干擾能力弱等軍事應(yīng)用短板，或?qū)㈤_啟未來(lái)空間軍事應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸?shù)男聲r(shí)代。同時(shí)，空間激光通信在民用領(lǐng)域也將大有可為，美國(guó)國(guó)內(nèi)已有數(shù)家商業(yè)公司投入巨資開展空間激光通信網(wǎng)絡(luò)研究及建設(shè)，將進(jìn)一步推動(dòng)空間激光通信的實(shí)用化進(jìn)程。

無(wú)論是現(xiàn)代軍事對(duì)抗還是未來(lái)太空軍事應(yīng)用，都對(duì)空間通信和天地間信息傳輸提出了較高應(yīng)用需求。在2008年正式開始的“數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)”中，歐洲航天局就應(yīng)用了空間激光通信終端。目前，歐洲航天局已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了世界上首個(gè)實(shí)際應(yīng)用并投入運(yùn)營(yíng)的空間激光通信系統(tǒng)“歐洲數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)”項(xiàng)目，一舉解決了歐盟“哥白尼哨兵”系統(tǒng)、未來(lái)地球觀測(cè)等空間任務(wù)海量數(shù)據(jù)的傳輸問題。同時(shí)，日本也積極開展“先進(jìn)空間光通信技術(shù)衛(wèi)星”計(jì)劃，旨在通過開發(fā)適合搭載小型衛(wèi)星的超小型激光通信終端，實(shí)現(xiàn)遙感圖像和遙測(cè)數(shù)據(jù)的激光通信傳輸。預(yù)計(jì)日本將于2019年發(fā)射“激光數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”，實(shí)現(xiàn)其所有空間遙感和偵察衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈路的初步整合。

未來(lái)，空間激光通信有望成為星地間數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)與地面光纖網(wǎng)絡(luò)的互補(bǔ)，進(jìn)而建立起包含衛(wèi)星和大氣層內(nèi)外的立體交叉激光通信網(wǎng)，徹底顛覆現(xiàn)有的全球通信系統(tǒng)，成為滿足物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代信息傳輸需求的大帶寬高速通信網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)然，空間激光通信要想加速投入軍事應(yīng)用并進(jìn)入“尋常百姓家”，還面臨著空間傳輸損耗大、光信號(hào)衰減、發(fā)射與接收瞄準(zhǔn)困難以及超遠(yuǎn)距離傳輸?shù)戎T多問題。但隨著相關(guān)技術(shù)的不斷改進(jìn)升級(jí)，借助空間激光通信實(shí)現(xiàn)太空“暗送秋波”終將不是夢(mèng)。（以上圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）

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