用激光打电话回家——太空中的激光通信系统

导读

在太空 中，没有人会听到你的尖叫——因为声音不会在真空中传播，而且你需要某种类型的无线电波中继携载这些信息，况且太空 距离非常遥远。

无线电波适用于任何类型的通讯，例如：拍摄冥王星、火星。所有这些数据流都是通过无线电波传输至地球。

在地球上，无论你在哪里，通讯都是即时的，这要归功于我们构建互联网的一系列通信设备。无线电波很容易穿过地球大气层传播，而手机和人造卫星技术能够在任何地方保持信息通畅。当信号传输较大距离时，无线电波会扩散，因此通讯传输需要大功率设备和大型天线。

美国宇航局NASA正计划实现人类永久往返月球。

在地球上，我们已经习惯了高速、无处不在的互联网接入。一旦到达月球表面，是否有网络连接，或者仅仅只有非常缓慢的网络。

今天，绝大多数卫星和航天器的数据速率为千 比特/秒。

对于长期居住在月球上的居民来说，这个带宽明显不让人满意。

为了满足高清视频和数据密集型研究的需要，美国航天局NASA和其他空间机构正在探索传统无线电频率传输的极限速度。

图1 各种通信波段的频率

例如，在NASA的Artemis2 任务中，月球周围携带宇航员的猎户座Orion航天器，将通过S波段 无线电以每秒50兆 位Mbit发射关键信息。

图2 猎户座多用途乘务飞行器(Orion MPCV)

其中，可以用来传输高清视频的带宽仅为1MB/s。

但如果想用Netflix播放高清电影，至少需要5MB/s的速度。

所以要提高数据速率，就意味着要超越无线电，开发光通信系统，利用激光在太空中传输数据。

激光通信

除了S波段无线电，猎户座还将携带激光通信系统，将超高清晰度4K视频送回地球。

图3 激光通信系统

但激光通信是一个棘手的命题。

宇宙飞船的轻微震动可能会使激光束疯狂地偏离航向，也会被地球的大气层衰减。

但是如果激光通信可以工作，强大的光通信将使深空通信能够在几分钟内完成，而不是几天内完成。宇航员将免受太空工作的孤独之苦。

图4 深空通信

今天，航天机构更愿意使用S 波段(2至4千兆赫兹)和ka 波段(26.5至40千兆赫)的无线电在航天器和飞行任务控制之间进行通信。

机载无线电台将航向信息、环境状况和数十个航天系统的数据 发回任务控制系统。

ka波段尤其受到重视。美国宇航局(NASA)的无线电和光学技术开发负责人唐·康威尔(Don Cornwell) ，称它为"无线电频率的凯迪拉克"(Cadillac)，因为它可以每秒传输到千兆 KM位，并在太空中传播良好。

图5 光纤

任何航天器传输数据的能力都受到电磁谱中一些不可避免的物理性质的限制:

1、无线电频谱是有限的，空间通信的宝贵频带也同样受到商业应用的重视。

蓝牙和wifi使用S波段，5G蜂窝网络使用ka波段。

2、无线电信号在空间真空中传播。当来自月球的ka波段信号到达地球时，它将扩展到直径约2000公里 的区域：大约相当于印度的大小。

到那时，信号要弱得多，所以你需要在地球上安装一个敏感的接收器，或者在月球上安装一个强大的发射器。

图6 光束变宽

3、激光通信系统也存在色散问题，相交的光束可能会混淆数据。但是，从月球发出的激光束将覆盖一个只有6公里 宽的区域，当它到达地球时。这意味着任何两根光束相交的可能性要小得多。

此外，他们也不必面对已经很拥挤的频谱。你可以使用激光传输几乎无限数量的数据，康威尔 说:"光学的光谱是不受限制的。激光束太窄了，它们几乎不可能互相干扰。"

更高的频率也意味着更短的波长，这会带来更多的好处。

Ka波段信号的波长从7.5毫米到1厘米不等，但美国宇航局计划使用1550纳米波长的激光，与地面光纤网络使用的波长相同。

图7 测试仪器

事实上，空间激光通信的大部分发展都建立在现有的光纤工程基础上，更短的波长(和更高的频率)意味着更多的数据可以同时传输。

激光通信的优点多年来一直是已知的，但直到最近工程师才能够制造出优于无线电性能的系统。例如，2013年，美国宇航局的月球激光通信演示证明，光学信号能够可靠地将信息从月球轨道传回地球。这个实验使用了月球大气层和灰尘环境探测器上的发射机，以622Mb/s的速度将数据发射回地球，速度是Orion 的波段无线电的10倍多。

图8 林肯实验室的研究人员在防抖动平台上测试他们的光学系统，以确保航天器的震动和抖动不会破坏它们

O2O激光通信系统

MIT 林肯实验室在NASA飞行任务中开发了许多激光通信系统。

作为对其频带无线电的补充，在Artemis2 任务期间，将携带称为O2O的激光系统。其主要任务是将4k个超高视频从月球传输回来。

在月球轨道上，O2O将以80 Mb/s的速度接收数据，并以20 Mb/s的速度传输。尽管相比2013年的622mb/s，O2O的设计速度不是很快。

但O2O将为未来的任务打开数据通信的大门，允许与家人进行视频聊天，与医生进行私人协商，甚至只是在停机期间观看现场体育赛事。人们在月球上花费的时间越多，所有这些联系就越重要，他们的心理健康就越重要。最终，视频将成为深空任务的关键任务。

在太空中测试O2O之前，它首先必须在旅途中存活下来。安装在航天器上的激光系统使用望远镜发送和接收信号。这些望远镜依赖于镜面和其他移动部件的精密排列。

O2O的望远镜将使用离轴卡塞格伦 设计，一种带有两面镜子的望远镜，安装在旋转万向架上聚焦捕获的光。

图9 mascot是MIT 林肯实验室研究人员开发的一种模块化、廉价的光通信系统

一旦O2O进入太空，它就必须精确瞄准。

猎户座的机载设备也将产生持续的微小振动，任何一种振动都足以抛出光信号。因此，美国宇航局和林肯实验室的工程师将把光学系统放在一个反抖动平台上。这个平台测量航天器的抖动，产生相反的振动模式来消除它们"就像消除噪音的耳机,"康威尔 说。

图10 NASA将在加州的台山和新墨西哥州使用望远镜阵列。向猎户座的光通信系统发送和接收信息

O2O的最后一个障碍将是处理地球上的云层。

红外波长，如O2O的1550 nm，很容易被云吸收。

一束激光束可能会在离月球近40万公里的地方旅行，而不会受到任何影响，但只会在地球表面上方被阻挡。

防止一个信号丢失的最佳措施是将信号发送到多个接收器。例如，O2O将使用加州台山和新墨西哥州白沙的地面站。

总结

在未来的几年里，其他任务将测试激光通信在深空中是否运行良好。

在月球上工作和生活所需的通讯只能由激光提供。

幸运的是，这些激光器的未来看起来是光明的。

文 | Michael Kozio,Lunar Pioneers Will Use Lasers to Phone Home,11 Jul 2019 | 19:00 GMT，班长编译。

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【装备技术】令欧美各国掀起研究热潮的颠覆性技术—空间激光通信

空间激光通信是一种利用激光束作为载波在空间进行图像、语音、信号等信息传递的通信方式。与传统微波通信相比，激光通信具有传输速率快、通信容量大、抗电磁干扰性能强、保密性高等优点，且其通信终端体积小、功耗低、实用性极高，引发各国研究热潮。空间激光通信技术的发展和突破对增强空间信息传输的实时性、安全性以及未来深空探测意义重大，有望变革未来空间通信技术发展。

优势与挑战并存

随着空间技术、传感技术等的发展，卫星及各种航天器所需的信息传输量呈指数级增长，目前空间通信所采用的以微波通信为主的通信手段已难以满足急剧增长的通信容量需求。空间激光通信被认为是最有潜力革新空间通信的颠覆性技术。

较高的数据传输速率。空间激光通信的载波频率范围为190～560太赫兹，为微波通信频率的数千倍乃至数万倍，具有巨大的宽带提升空间，可实现更高的数据传输速率，使从空间传回海量视频和高精度测量数据成为可能，对于自然灾害监测、军事通信等具有重要的战略意义。

令欧美各国掀起研究热潮的颠覆性技术—空间激光通信

系统终端体积小、质量轻、功耗低。相比于微波，激光的波长要短许多。波长越短，能量越高，所受的衍射作用越小，激光所需的发射和接收天线尺寸可以成倍缩小，使得激光通信系统终端的体积、质量以及功率都远远优于微波通信，高度满足空间应用对有效载荷小型化、轻量化、低功耗的要求。

抗电磁干扰能力强、安全保密性高。空间激光通信采用激光作为载波，激光光束极窄，发散角小于1毫弧度，亮度和能量密度极高，信息传递不易被其他设备捕获，且邻近卫星间的通信干扰也可忽略不计，具有较高的抗电磁干扰能力和安全保密性能。

尽管存在诸多优势，目前空间激光通信技术整体而言仍处于研究阶段，尚面临诸多技术挑战，如激光通信较为受制于激光通信终端和探测器件、大气湍流、大气衰减等因素的影响和干扰，空间激光通信所需的地面基础设施远未完备，空间激光通信高频带高宽带的技术优势尚未完全挖掘等。

欧美掀起研究热潮

美国、欧洲、日本等均在空间激光通信技术领域投入巨资进行相关技术研究和在轨试验，对空间激光通信系统所涉及的各项关键技术展开了全面深入地研究，不断推动空间激光通信技术迈向工程实用化。

美国国家航空航天局（NASA）加速发展空间激光通信技术。美国早期开展的“激光通信演示系统”“转型卫星通信系统”等项目研究，为后期技术发展奠定了良好的技术基础。近年来，NASA尤为重视空间激光通信技术发展，并将其作为重要优先事项，加速推进空间激光通信技术的发展和成熟，使近地任务和深空任务的空间通信更为高效，以解决未来空间飞行任务面临的海量数据传输问题。

LCRD系统艺术渲染图

“月球激光通信演示验证”项目美国NASA于2013年10月成功开展了“月球激光通信演示验证”项目。从月球轨道与多个地面站分别进行了双向激光通信试验，创造了622兆比特/秒的下行数据传输速率新记录，上行数据传输速率也达到20兆比特/秒。首次验证了空间激光通信系统的可行性以及系统在空间环境中的可生存性。

“激光通信中继演示验证”项目美国NASA正在开展的“激光通信中继演示验证”项目主要用于验证激光通信技术的有效性和可靠性等。该系统包括2个地球同步轨道星载激光通信终端以及2个地面激光通信终端。NASA计划于2019年发射星载激光通信终端至地球同步轨道，开展为期2年的激光通信中继演示验证任务。任务中，位于美国加州的地面站将向距地约3.6万千米的地球同步轨道星载激光通信终端发射激光信号，随后地球同步轨道星载激光通信终端将信号中继到另一个地面站。目前，激光通信中继演示验证系统已成功通过关键决策点评审，并已于2017年12月开始进行开发集成与测试阶段，正为2019年新一阶段的演示验证任务积极准备。

“深空光学通信”项目“深空光学通信”项目通信距离比“激光通信中继演示验证”项目更远，致力于研究激光通信对于深空任务数据速率、占用空间和功耗的改进作用。2017年NASA称，按照计划，深空光学通信项目将于2018年—2019年进行地面测试，2023年搭载普赛克飞行器向一颗金属小行星进发，进而对深空激光通信技术进行验证。

“一体化射频与光学通信”项目NASA格伦研究中心团队正在开展“一体化射频与光学通信”概念研究，计划向火星轨道发送一颗激光通信中继卫星，用于接收远距离航天器的数据并将数据中继至地球。“一体化射频与光学通信”系统将使用射频和激光集成通信系统，既可为使用激光通信系统的新型航天器提供服务，也可为使用射频通信系统的传统航天器提供服务，将有效促进NASA所有空间资产间的互操作性。

2013年，美国宇航局月球大气与粉尘环境探测器进行了激光通信实验，在月球和地球之间建立了激光链路

欧空局重点推进激光通信系统商业化运营。欧空局早期实施的“半导体激光星间链路试验”等项目首次验证了低地球轨道至地球同步轨道的星间通信，项目取得的极大成功给了欧空局极大的信心。2008年底，欧空局决定在其“欧洲数据中继系统”（EDRS）中应用激光通信终端，以促进空间激光通信系统的研发和实施达到成熟阶段，并以商业模式运营。近年来，“欧洲数据中继系统”取得了一系列突破性进展，成为世界上首个商业化运营的高速率空间激光通信系统。

“欧洲数据中继系统”是由欧空局和空客防务与航天公司在“公私合作伙伴关系”机制下共同研发的世界首个独立运行的商业化空间激光通信系统，其中欧空局负责系统研发，空客防务与航天公司作为项目主承包商负责系统的建造、发射和运营。“欧洲数据中继系统”通过采用激光通信技术在地球静止轨道为近地轨道卫星、机载平台向欧洲地面站实时中继传输大量数据。“欧洲数据中继系统”一期系统的空间段包括两个地球静止轨道节点，分别是EDRS-A数据中继有效载荷和配置了数据中继有效载荷的EDRS-C专用卫星。

“欧洲数据中继系统”的首个激光通信中继载荷EDRS-A已于2016年1月30日成功发射，迈出了构建全球首个卫星激光通信业务化运行系统的重要一步。EDRS-A可提供激光和Ka波段两种双向星间链路，星间传输速率可达1.8吉比特/秒。在完成一系列在轨测试后，EDRS-A于2016年6月成功传输了欧洲哨兵1A雷达卫星的图像，并于2016年7月进入业务运行阶段。EDRS-A载荷实现在轨服务，表明欧洲已率先实现星间高速激光通信技术的业务化应用，是近年来欧洲航天技术快速发展的一个重要里程碑。

欧空局计划于2020年将“欧洲数据中继系统”扩展成为全球覆盖系统，形成以激光数据中继卫星与载荷为骨干的天基信息网，实现卫星、空中平台观测数据的近实时传输。EDRS不仅将满足欧洲航天活动对空间数据传输速率、传输量和实时性日益增长的需求，更将使欧洲摆脱对非欧地面站的依赖，保持空间通信的战略独立性。欧空局认为，美国防部及其无人机机队将是EDRS未来的主要市场。

日本致力于激光通信终端小型化研究

日本主要采取国际合作的方式进行空间激光通信技术研究，早期开展的“地面轨道间激光通信演示验证”等项目取得了巨大的成功，实现了世界首次低轨卫星与地面站及移动光学地面站之间的激光通信试验。近年来，为保持空间激光通信技术方面的优势，日本开始向激光通信终端小型化、轻量化、低功耗方向发展。

太空中的通信卫星

“空间光通信研究先进技术卫星”计划日本“空间光通信研究先进技术卫星”计划旨在验证适用于50千克级小卫星的“小型光学通信终端”。2014年5月，“小型光学通信终端”搭载低轨小卫星发射入轨，并已于2014年8月—11月间成功开展了低轨卫星对地激光通信试验。“小型光学通信终端”总质量仅为5.8千克，最远通信距离达1000千米，下行通信速率10兆比特/秒，可构建绝对安全的全球光通信网络，使得飞机、卫星收集的高分辨率图像数据可通过空间激光通信链路下传至地面站。

“激光数据中继卫星”计划日本2015年1月9日公布的新版《宇宙基本计划》将“激光数据中继卫星”计划正式列入其中，并于2015财年下拨了32.08亿日元作为启动经费。日本计划2019年发射“激光数据中继卫星”，将当前数据中继系统的微波链路替换为激光链路，通过激光实现先进光学卫星等新一代高分辨率对地观测卫星之间的通信，预设通信速率达2.5吉比特/秒，届时将使日本获得更高速的实时观测能力。

蕴含巨大应用价值

空间激光通信的高速率和高安全性将不断满足航天活动对空间数据传输速率、传输量和实时性日益增长的需求，必将使其成为未来空间通信的主要形式。深入挖掘和利用空间激光通信蕴含的巨大应用价值，对增强当前空间信息传输的实时性、安全性以及未来深空探测意义重大。

火星勘测轨道飞行器在火星上空时的模拟图

满足信息化战争对通信带宽不断增长的需求。 现代信息化战争对通信带宽的需求越来越大，如战场遥感测绘信息、实时战斗高清图像、强干扰复杂电磁环境下的指令交互等无一例外需要稳定的信息传输技术做保障，使得对通信系统带宽资源需求急剧增长。传统微波卫星通信系统由于成本高昂，且卫星轨道资源和频谱资源日益紧缺，难以满足作战人员获取实时战场态势数据的迫切需求。空间激光通信系统具有巨大的带宽提升空间，可实现更高的数据传输速率，能够充分保证战场海量信息的实时性传输。同时，激光收发装置和信号处理装置体积小、重量轻、功耗低，星上配备多个激光收发装置具备可行性，为后续发展多天线激光通信技术奠定基础，从而可进一步提升数据传输速率，保证战场信息的及时传输。

保证战场数据传输的安全性和稳定性。 战场数据传输的安全性和稳定性对于确保作战单元信息优势的全程获取和作战效能的充分发挥至关重要。传统的微波通信技术由于频谱规划的公开性以及信号旁瓣泄露问题，使得敌方极易通过信号侦收设备进行信号的分析和破解，造成安全隐患。同时，成熟的高功率宽带电磁脉冲技术也会使传统的卫星通信技术在战场上被干扰，失去战场制信息权。空间激光通信具有高安全性特点，很难被窃取和干扰，完全避免了传统微波通信技术存在的不足，其极强的方向性波束使得信号的泄露几乎可以忽略不计，且激光通信的高频率和高带宽也将使传统的干扰压制手段失效。

实现近地任务和深空任务高效空间通信。 激光通信技术有望使数据传输速率比射频通信提高至少10～100倍，可在从低地球轨道到星际的所有空间区域中大幅提高数据传输速率，使近地任务和深空任务的空间通信更加高效。更高的数据传输速率意味着未来能从太阳系内任何位置传输直播视频，还可增加载人深空探索任务的通信带宽，从而帮助研究人员更快地采集科学数据，研究尘暴或航天器着陆等突发事件，甚至从其他行星表面发送视频。可以想象，空间激光通信网络一旦建立，人类或将开启至月球的快速可靠的数据连接网络，甚至还可以连接至火星和更遥远的星球，为人类征服遥远的星辰提供重要的通信支持。

版权声明：本文刊载于《军事文摘》杂志2018年第3期，作者：张保庆。如需转载请务必注明“转自《军事文摘》”。

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