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  出品:科普中国

  作者:瑷敏工作室

  策划:白璐

  监制:光明网科普事业部

  横亘银河,古老传说中的牛郎与织女是如何“暗送秋波”;浩渺太空,随着人类探索太空的步伐不断深入,又该怎样在无垠之中“飞鸽传书”?随着航天技术的不断发展,目前已有数以千计的各类飞行器夜以继日围绕地球高速运转,尤其需要与地面站或相互之间高效通信,如何在太空铺设信息“高速路”成为当务之急。空间激光通信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,近年来已经得到各太空军事大国的广泛关注与研究,或将为人类未来走向太空和空天军事应用带来显著的“革命性”变革。

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  “太空Wifi”就要到来

  “你好,世界!”这句看似普通的话,来自美国国家航空航天局录制的一段长为37秒的高清视频。它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。

  遨游在太空的航天器如何与地球保持通信,语音、数据甚至是图像和视频又是如何传输的?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。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。

  相比于传统的无线电通信方式,空间激光通信技术采用光波作为信息载体,拥有更大的可利用频带。同时,激光通信大大降低了通信过程中信息被截取的可能性,保密性和安全性更好,还有效避免了全球无线电频谱资源匮乏的困境。空间激光通信系统所拥有的更小体积、更轻质量和更低功耗,也是助力其走向太空的动力源泉。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”的革命性改变。

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  信息“高速路”如何铺设

  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。

  在空间激光通信领域,美国作为传统航天大国格外上心。在此之前,美国就通过开展“激光通信演示系统”、“国际轨道空间站光通信”、“同步轨道轻量技术实验”、“火星激光通信演示系统”和“转型卫星通信系统”等一系列项目研究积累了坚实的技术基础。2014年6月,美国成功进行了“激光通信科学光学载荷”试验,借助光通信和传感演示项目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。与此同时,欧洲、日本相继开展了星间激光通信试验,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。

  这些航天大国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的巨大应用前景。目前,美国正在积极开展“激光通信中继演示验证”,计划借助卫星完成地面两个接收站间的激光中继通信试验,实现真正的太空“鸿雁传书”。

  加快实现星“光”闪耀

  空间激光通信的出现,有效解决了无线电通信保密性差、抗干扰能力弱等军事应用短板,或将开启未来空间军事应用数据传输的新时代。同时,空间激光通信在民用领域也将大有可为,美国国内已有数家商业公司投入巨资开展空间激光通信网络研究及建设,将进一步推动空间激光通信的实用化进程。

  无论是现代军事对抗还是未来太空军事应用,都对空间通信和天地间信息传输提出了较高应用需求。在2008年正式开始的“数据中继卫星系统”中,欧洲航天局就应用了空间激光通信终端。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超小型激光通信终端,实现遥感图像和遥测数据的激光通信传输。预计日本将于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。

  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,进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,成为满足物联网时代信息传输需求的大带宽高速通信网络。当然,空间激光通信要想加速投入军事应用并进入“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。但随着相关技术的不断改进升级,借助空间激光通信实现太空“暗送秋波”终将不是梦。(以上图片来源于网络)

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