航天員景海鵬,、陳冬生活在天宮二號(hào)的時(shí)間里,,我們親眼見證兩位航天員與總書記通話,,在太空泡茶、跑步,、種菜,,甚至還能收看新聞聯(lián)播!而實(shí)現(xiàn)這一切天地的“親密接觸”全依賴于空間通信技術(shù),。
習(xí)近平總書記與神舟十一號(hào)航天員通話
今天,,小編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(qiáng)國的普遍“追捧”,,它就是空間激光通信。
空間激光通信“?!痹谀?/strong>
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(gè)數(shù)量級(jí),,有非常巨大的通信容量,可以輕松實(shí)現(xiàn)10Gbps以上的通信速率,,采用復(fù)用的手段能獲得Tbps以上的通信速率,,輕松實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。
另外,,空間激光通信還具有抗干擾能力強(qiáng),、抗截獲能力強(qiáng)、安全保密性好,、體積小重量輕功耗低等優(yōu)點(diǎn),,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(dá)622Mbps
如何實(shí)現(xiàn)空間激光通信
簡單點(diǎn)說,,空間激光通信就是將信息電信號(hào)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(zhǔn)、跟蹤建立起動(dòng)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(fù)雜的。它包括了光源系統(tǒng),,發(fā)射和接收系統(tǒng),,信標(biāo)系統(tǒng),捕獲,、瞄準(zhǔn),、跟蹤(APT)系統(tǒng)以及其它輔助系統(tǒng),。其中,捕獲,、瞄準(zhǔn),、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(fù)責(zé)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(jí),這對(duì)APT系統(tǒng)提出了非常高的要求,,跟瞄精度達(dá)到1μrad左右,。這個(gè)精度被日本學(xué)者喻為在日本東京觀測富士山上一支移動(dòng)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(diǎn),。
相比星間激光通信鏈路,星地激光通信的激光信號(hào)需要經(jīng)歷自由空間,、大氣湍流隨機(jī)信道,,云、雨,、霧霾等氣象條件的影響,實(shí)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(diǎn)和難點(diǎn),。
經(jīng)過多年的研究,,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn),實(shí)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(yuǎn)!
捕獲,、瞄準(zhǔn),、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(tái)振動(dòng)以及通信平臺(tái)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)影響都是攻克這一技術(shù)的難點(diǎn),。
大氣干擾對(duì)激光通信影響很大,。激光束通過大氣傳輸時(shí)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(yán)重時(shí)甚至無法通信,。
空間激光通信的傳輸長度動(dòng)輒以幾千千米,、幾萬千米計(jì)算,激光在這么長距離的傳輸中會(huì)產(chǎn)生很大的能量損失,,接收的光信號(hào)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(qiáng)的干擾,大大增加了光信號(hào)的接收難度,。
激光的特性決定了空間激光通信適合點(diǎn)與點(diǎn)之間的安全通信,,組網(wǎng)時(shí)需要大面積覆蓋也比較困難。
通過中繼衛(wèi)星進(jìn)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(dòng)空間激光通信進(jìn)入了應(yīng)用階段。
歐洲數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)(EDRS)計(jì)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(dá)1.8Gbit/s,。EDRS計(jì)劃是首個(gè)商業(yè)化運(yùn)營的高速率空間激光通信系統(tǒng),,標(biāo)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(jì)劃涉及1個(gè)地面站,、2個(gè)低軌衛(wèi)星(Sentinel1A,、Sentinel 2)和3個(gè)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?jǐn)M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(bǔ)充第三顆衛(wèi)星“全球網(wǎng)”(GlobleNet),從而實(shí)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(jì)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(shí)現(xiàn)高達(dá)2.88Gbps的通信速率。
LCRD通信鏈路演示
同時(shí),,美國在激光通信組網(wǎng)方面提出了一系列計(jì)劃,。2010年提出的轉(zhuǎn)型衛(wèi)星通信計(jì)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(shí)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(xué)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(shí)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(jì)劃
日本計(jì)劃在2019年發(fā)射“激光數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”,,將當(dāng)前數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)的微波鏈路替換為激光鏈路,預(yù)設(shè)通信速率達(dá)2.5Gbit/s,。
中國“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星
2016年8月16日,,全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”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,。