“星座中的衛星會組建‘星間互聯網’，之前它們用無線電波‘對話’，現在升級為利用激光鏈路傳遞信息。”航天行云科技有限公司副總經理杜利近日接受科技日報記者采訪時表示，通過攜帶能夠發射和接收激光的載荷，星間通信將從“電波時代”跨入“激光時代”。
在電波時代，衛星之間的通訊信號發射猶如“小李飛刀”，不斷丟出信號包，刀刀命中，但數據量的傳輸體量有所限制。隨著人們通訊需求的增加，很可能出現“擁堵”的情況，就如同一筐“飛刀”有發射需求，“小李”武功再高也很難通過傳統模式完成。
星間激光通信給出了解決之道，它猶如動感超人發射的“動感光波”，速度極快能量更大。那么星間激光通信為什么能夠滿足更大的需求？具體是一個什么樣的通信過程呢？實現星間激光通信的難點又在哪里？
又快又“重載”，激光傳輸好處數不勝數
隨著衛星通信傳輸數據需求的增加，傳輸數據量劇增，傳統的微波通信受到傳輸容量的限制，成為星間通信“瓶頸”。杜利認為，現代的衛星通信在準確的基礎上，需要量大、實時、傳輸距離遠，這要求衛星通信具有更高的傳輸數據率。
既然傳統模式難以完成，那么什么載體更能擔大任呢？人們想到了“光”，激光將以接近光速的速度傳遞信息，完成實時、快速的要求。
星間激光通信所利用的激光比微波頻率高3—4個數量級。頻率越高意味著它在同樣的時間里變化越大，就如同一個彈簧的“壓縮”，能夠“壓入”更大量的數據，實現對數據的“重載”。
選擇激光作為載體，人們還得到了很多其他的便利。杜利解釋：星間激光通信無需頻率申請許可，而傳統的無線電波頻段是戰略資源，目前國際電聯嚴格管控星載微波頻段，很難申請大容量數據帶寬，我國用戶申請頻率許可更是難上加難。激光通信意味著繞開了“管制空路”，獲得了更廣闊的便利空間。
此外，星間激光通信具有比微波更窄的波束，信號覆蓋范圍很小，因而具有很好的抗干擾和抗截獲能力。猶如利劍直插，難以被阻擋或化解。
在對基礎設備的功耗方面，激光通信也更顯“友好”。杜利解釋，星間激光通信的能量聚集度很高，當鏈路所需數據率在Gbps以上時，星間激光通信在終端體積、重量和功耗方面具有明顯優勢，從而降低了對衛星平臺的要求。
邊跑邊接，多一道“轉換”手續
“無論是星間激光通信，還是星間微波通信，其目標均是實現兩個或多個處于相對高速運動的通信設備之間的實時通信。”杜利說，需要解決的根本問題包括兩個，一是如何通信，二是如何建立通信鏈路并始終維持穩定的鏈接。
從本質上講，星間激光通信和星間微波通信都屬于電磁波通信，兩者的系統組成是基本相同的，均包括信源、發送設備、信道、接收設備、信宿五個部分。
一條信息在天上的“星座”中完成傳輸的路徑是這樣的：信源產生信息，將待傳輸的各種信息（文字、圖片、語音、視頻等）轉換為原始電信號，稱為消息信號，信號產生后會變換為適合在信道中搬移的類型，進入信道，在自由空間里“奔跑”，隨后由接收設備接受，從帶有干擾的接收信號中正確恢復出相應的原始信號，“挑揀出”正確信號，會留下到傳輸信息的“歸宿地”，復原的原始信號轉換成相應的信息。
星間激光通信與星間微波通信不同的是：前者的信息載體是光。“但由于器件所限，信號不能以全光形式發送和接收，需要在發送端將待傳輸的電信號轉換為光信號，在接收端將光信號轉換為電信號才能正確復原原始信息。”杜利解釋，也就是說要有一道“轉換”手續，相應地有一道“轉回”手續。
星間激光通信技術的通信過程為：A星的光發射機將原始信息的電信號轉換為光信號，調制后的光束經由發射光路，以空間光的形式發射給B星；B星的光接收機將光信號轉換回電信號，并進行信號放大、判決和濾波等處理，恢復激光載波攜帶的原始信息。與此相比，星間微波通信的信息載體是無線電，無需進行發射端的電光轉換和接收端的光電轉換。
百公里“穿楊”之外，不掉線面臨更大挑戰
在茫茫太空中，距離遙遠的一顆衛星發射的激光又如何能夠抵達另一顆衛星的接收設備中呢？
“以行云天基物聯網的星座為例，兩顆星之間的距離平均為數千公里，并且會相對快速移動。”杜利說。想象一盞高瓦數、不發散的射燈，準確地在幾百公里外，穿進一枚銅幣的中心，這枚銅幣和射燈本身還在快速運行中，其難度甚于“百米穿楊”千百倍。
不只如此，僅僅完成建立聯系的瞬間精準還只是第一步，穩定地在嚴苛的太空環境下保持均一、持續的聯系，不掉線也對星間激光通信設備提出了更高要求。
杜利介紹，建立星間通信鏈路并保持鏈路穩定是一項最關鍵的技術。兩顆衛星始終處于相對高速運動，要成功建鏈并保持穩定需要幾大步驟，即瞄準、捕獲和跟蹤。
瞄準是指激光終端需要瞄著某個方向發射信標光，以便對方能接收。為了相互瞄準，A星和B星需要預先知道什么時刻開始瞄準，對方在什么時刻會出現在哪個空間位置，光束從己方射出到達對方需要多長時間，“它們約定某時刻開始工作后，雙方需基于自身姿軌控、地面遙測遙控和對方衛星軌道預報等信息，實時計算對方星體的相對位置（相對角度），向對方所處區域發射信標光。當發射信標光不足以覆蓋對方星體所處的不確定范圍時，還需使用信標光束掃描該區域。”杜利解釋。
信標光束猶如“信號彈”讓彼此定位，如果入射的信標光均能進入A星和B星激光接收機的探測視場內，即實現了雙向捕獲。捕獲過程會包括粗調，即接收系統將計算光斑質心與接收光學系統光軸標志點的脫靶量，驅動接收光學系統的粗瞄機構作偏轉運動，使入射光斑質心向光軸標志點方向運動。
跟蹤則可視為“細調”“矯正”。當捕獲模式中的光斑逐步接近標志點時，系統切換為跟蹤模式，利用更小的窗口不斷快速計算脫靶量，并實時反饋給跟瞄執行機構，以使入射光斑質心始終保持在光軸標志點附近。
“星間激光通信是極遠距離、極弱信號的探測，其技術難點來自于超遠的距離、鏈路的動態變化和復雜的空間環境。”杜利說，由于距離超遠，星間激光通信技術要求發展同時具備功率大、功耗低、線寬窄和溫度穩定性好的激光器模塊，超高靈敏度的光電探測器，以及高速光電轉換器件。
也就是說，要實現星間激光通信，硬件的高靈敏、高精確是基礎，而算法的迅速和準確是保障，經過軟、硬件的協同發展和磨合將逐步提高星間激光通信技術的高反應速度和高精度，例如實現建鏈時間的秒量級，光束對準精度在幾微弧度之內。以上僅僅是星間的“一對一”通信，對于星間激光組網而言，還需考慮多路接入、路由切換和空間網絡交換等問題。
“對于商用激光通信星座而言，還需要考量性能和成本的協調發展，需要解決的將不僅是科學問題，還有與不同行業的匹配、兼容等問題。”杜利表示，星間激光通信作為一種高速數據傳輸手段，在需要快速回傳衛星數據的場合，例如災情采集、應急通信、敵情偵察、衛星導航等，激光鏈路可以提供很好的實時性；在需要傳輸大容量數據的場合，例如全球測繪、氣象探測等，激光鏈路可以提供很好的穩定性。通過星間激光通信技術構建的星間通信骨干網，將有望變革未來空間通信技術，為未來高速、高通量天地一體化通信網絡的建設奠定基礎。
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