激光通信奠基“太空寬帶”

　　ICCSZ訊 用時3.5秒、175兆比特、時長37秒的高清視頻，成功從國際空間站傳送回地面。美國航空航天局(NASA)近日宣布，此次利用激光通信技術(shù)，將高清視頻從國際空間站傳回。這便是NASA的“激光通信科學光學載荷”實驗。此前美國曾從月球探測器上向地面進行過激光通信，地面也完成過一次。NASA與國際空間站的激光通信表明激光傳輸是可行的，此項技術(shù)的發(fā)展和成熟或?qū)㈤_啟人類的太空寬帶時代。

　　競逐激光通信領域

　　利用激光束作為載體，將數(shù)據(jù)信號調(diào)制到光載波上進行傳輸，這就是空間光通信，也稱激光無線通信或無線光通信。它包括了深空、同步軌道、低軌道、中軌道衛(wèi)星間的光通信，也包括地面站的光通信。

　　美國此次就是用極為細小的激光束來傳輸數(shù)據(jù)。相較于傳統(tǒng)的以電波為載波的電波通訊，因為光波的頻率是常規(guī)電波的數(shù)千倍，所以即使此次國際空間站到地面距離達到了400公里，卻只耗時3.5秒，相當于傳輸速率達到每秒50兆，倘若采用傳統(tǒng)技術(shù)下載，則需要耗費10多分鐘時間。

　　太空空間光通信被喻為太空寬帶，是一種可能從根本上改變太空通信的技術(shù)。有關(guān)專家指出，激光通信最大優(yōu)勢，第一，在于通信容量大、速率高。激光的頻率比微波射頻高3-4個數(shù)量級，作為通信的載波，具有更大的可用頻帶。第二，在于它的功耗小。第三，激光通信的設備體積小、重量輕，尤其適用于衛(wèi)星通信。第四是保密性好，可有效防止竊聽并提高抗干擾能力。

　　正是由于激光通信的眾多優(yōu)勢，不少航天航空大國紛紛開展相關(guān)研究。美國早在上世紀60年代中期就開始實施空間光通信方面的研究計劃，著名的噴氣推進實驗室、林肯實驗室、貝爾實驗室等都加入其中。日本和歐洲空間局在80年代也開始了空間光通信研究。 我國衛(wèi)星光通信研究起步較晚，但取得了迅速的進展，與國外先進水平差距并不大。目前我國開展相關(guān)研究的機構(gòu)主要有哈爾濱工業(yè)大學、電子科技大學、清華大學、北京大學等。在2012年3月，我國“海洋二號”衛(wèi)星第一次搭載進行了中國首次星地激光通信實驗并取得圓滿成功，將衛(wèi)星和地面用激光鏈接起來，形成空間的信息高速公路。

　　突破“太空寬帶”瓶頸

　　這項看似能引爆通信界革命的激光通信技術(shù)其實也面臨著自身的發(fā)展瓶頸。

　　首先，大氣對激光通信信號有吸收和散射的作用，大氣湍流則嚴重地影響到信號的接收。雖然激光通信不受電磁干擾，但大氣中的氣體分子、水霧、霾等與激光波長相近的粒子會引起光的吸收和散射，極大地妨礙、吸收光波的傳輸，就更不用說遇到強大氣湍流了。

　　其次，接收機和發(fā)射機之間的瞄準非常困難。空間光通信系統(tǒng)要完成遠距離衛(wèi)星間光信號的發(fā)射與接收，就必須進行遠距離衛(wèi)星間或者空間站間目標的捕獲與跟蹤，前者依賴于激光通信系統(tǒng)，后者取決于光學跟瞄系統(tǒng)。激光目前只能通過機械裝置進行定向，這對發(fā)射和接收設備的穩(wěn)定性和精度提出了很高的要求。據(jù)NASA稱，由于此次空地距離400公里，加上運行時速高，這一任務“好似在9米開外，于行走中始終用激光指針瞄準某根頭發(fā)的末梢”。不過從NASA空間站傳回的高清視頻結(jié)果來看，這個難度大的關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)得到較好的解決。

　　第三，發(fā)射天線和接收天線的效率都會對空間光通信系統(tǒng)的接收光功率產(chǎn)生重要影響。出于獲取最小光斑的需求，發(fā)射天線可以設計成接近衍射極限，但同時給精確對準帶來了困難。為了接收更多的能量信號，接收天線直徑越大越好，但這會增加系統(tǒng)的體積、重量和成本。提高接收靈敏度十分重要。

　　第四，遠距離傳輸問題也有待解決，遠距離傳輸容易出現(xiàn)信號衰弱和延時等問題。此次激光通訊實驗空間站與地面距離只有約400公里，而通信衛(wèi)星一般在3.6萬公里的軌道上。因此，激光通信的實用化，仍面臨挑戰(zhàn)。

　　變革人類通信系統(tǒng)

　　“太空寬帶”不僅僅在太空。從世界航空航天大國對空間光通信技術(shù)的研究與成果來看，此次空間站和地面成功傳輸高清視頻說明了“太空寬帶”在不斷接近實用化。雖然最開始的空間光通信基本都是用于軍事目的，但從發(fā)展趨勢來看，它具有巨大的民用市場。有專家預測，未來很有可能形成立體交叉光網(wǎng)，在外太空衛(wèi)星和大氣層內(nèi)外形成高容量通信網(wǎng)，與地面的光纖網(wǎng)絡相鏈接，足以顛覆目前人類的通信系統(tǒng)。

　　或許正如成都信息工程學院王天寶教授介紹的那樣，美國航空航天局的目標是利用光無線通信技術(shù)，開發(fā)建立激光太空通信系統(tǒng)，以實現(xiàn)“太空—地球”的遠距、大數(shù)據(jù)通信。一旦建立激光太空互聯(lián)網(wǎng)，人類或?qū)㈤_啟至月球的快速可靠的數(shù)據(jù)連接網(wǎng)絡，甚至還可以連接至火星和更遙遠的星球。假如將來有在太空生活的人們，就可以利用激光太空通信系統(tǒng)與地球人進行高清晰視頻聊天。

　　光纖通信網(wǎng)絡已經(jīng)給我們的生活帶來了極大的不同。試想一下無線光通信會給人們帶來何種互聯(lián)網(wǎng)體驗。2002年哈爾濱工業(yè)大學和美國OA公司建立了全面戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，將大氣中的自由空間激光通信(Free Space Optical，簡稱FSO)產(chǎn)品投入生產(chǎn)。早在1999年美國NASA就已經(jīng)將星對地激光通信技術(shù)民用化，開發(fā)出5000米以內(nèi)的商業(yè)化FSO激光通信鏈產(chǎn)品。無線光通信將改變目前光纖通信材料和工程費用高的狀況，并能克服河流、湖泊、立交橋等阻礙光纖鋪設的問題，或者根本就不用耗時耗資鋪設光纖。它將改變平面型通訊網(wǎng)絡的局面，實現(xiàn)“三網(wǎng)合一”目標(電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng))，組建三維通信網(wǎng)絡。

　　我們有理由對激光通信的未來保持充分信心。