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***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***與神舟十一號(hào)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(qiáng)國(guó)的普遍“追捧”，它就是空間激光通信。

空間激光通信“牛”在哪

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。

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如何實(shí)現(xiàn)空間激光通信

簡(jiǎn)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(cè)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(chǎng)合，因此各國(guó)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(zhǎng)度動(dòng)輒以幾千千米、幾萬千米計(jì)算，激光在這么長(zhǎng)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(yáng)、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。

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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(yíng)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(guó)激光通信中繼演示系統(tǒng)（LCRD）計(jì)劃

2017年，美國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)“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。