太空中也能刷短视频？激光通信的“光语言”揭秘

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保持通信，在千万公里外

在人类真正踏上火星前，除了制造更大的火箭、研究怎么在陌生星球生存外，我们还要解决一个重要问题：如何保持与地球的通信？深空通信项目的价值正在于此。

广义上讲，月球轨道及以外的宇宙空间都是深空，当探测器深入千万乃至上亿公里外的宇宙时，与地球的时空纽带就会成为其顺利完成探测任务的关键保障。

如今，随着遥感技术发展，发射到深空的探测器往往会配备高光谱成像仪、合成孔径雷达等高分辨率图像采集设备，会采集到各种复杂的科学信息、高清图像；常见的机器人或载人探测任务也会产生许多语音、视频、宇航员健康监测数据等。传统以微波为主的通信手段已经很难满足信息传输的通信速率要求，以激光为载波的深空光通信系统走到聚光灯下。

2023年年末，NASA公开了一段15秒的“萌宠”视频，视频里的橘猫Taters正在追逐着一个移动激光光点。这段在抖音上或许平平无奇的视频，却标志着一个历史性的里程碑——这是人类首次利用激光，成功地将一段超高清视频由“灵神星”号（Psyche）探测器从约3100万公里（大概是地月距离的80倍）外的深空发送到地球。

此外，这段视频还包含了几个重要技术参数，比如“灵神星”号的轨道路径、帕洛玛天文台海尔望远镜的穹顶，以及有关激光及其数据比特率的技术信息。还有Taters的心率、颜色和品种等数据，也实时展示在上面，直接对标人类宇航员。

“灵神星”号深空传回的视频，包含诸多数据

更重要的是，通过NASA给出的数据，这段视频通过“飞行激光收发器”（ flight laser transceiver）发出后，视频信息编码为近红外激光束，以每秒267兆比特（Mbps）的系统最大比特率发送到美国加州大学的帕洛玛天文台，仅仅用了101秒。

这比研究人员在天文台，通过移动互联网发送同一视频到加州南部的实验室还要快。这意味着借助激光通信，未来有一天，当人类真的登上距离地球2.25亿公里的火星后，激光通信技术也能满足我们传输复杂信息以及高清图像、视频的需要。

02

激光通信的“光语言”解码

激光通信和我们曾解读过的量子通信有“异曲同工”之妙——它们都属于光通信范畴下的技术路线，但细究起来，两者其实是毫不相干的两码事。

量子通信是利用光量子的偏振态特性发出真正随机生成的二进制密钥，同时利用光量子不可逆的特性秘密传输信息，重点在于其安全性。

而激光通信就是利用激光光束本身传递信息，重点在于“量大、速度快”。

NASA这次完成的深空激光通信原理其实很简单，数据信号先是转换为串行二进制，再被转换为光信号，并通过激光器以高能量的激光光束的形态射出；然后，激光光束再通过真空传播，最终到达接收器；接收器接收到激光光束后，要将光信号转换回电信号，才能恢复出原始的数据信息。

地面接收设备模拟

与传统的无线电波通信技术相比，激光通信系统所用的红外光是一种频率比较高的波，能比普通微波频率高3到4个数量级。根据无线电通用的“经验公式”，频率越高也就意味着频宽（带宽）越大——其实就是因为高频段的频谱资源空白较多，低频段频谱资源都已经拥挤不堪，高频段自然频宽更大。

业内人士表示，如今星间激光通信还无需申请频率许可，而传统的无线电波频段是战略资源，目前国际电联严格管控星载微波频段，很难再申请到大容量数据带宽。

打个比方，频宽可以理解为水管，通常我们说网络传输速度快的意思其实是，单位时间内数据的吞吐量越大表示越快。频宽越宽代表水管越粗，在同等流速情况下，水管越粗的在单位时间内流出的水量也就越大，这样就能理解为什么频宽越大，传输速率越快、内容“载重”越大了吧。

激光通信就如同弹簧“压缩”一般，压入大量数据，并且其从深空传输数据的速度能比目前使用的最先进无线电通信技术快10至100倍。通过激光通信下载一部高清电影只需几秒钟，而传统无线电通信可能需要几小时，这就好比从拨号上网一下跳升到了光纤上网。

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挑战“不掉线”

按照激光通信的过程，光是“打包压缩”信息、再以红外光波的形式送出去还不够，要保证信息原封不动的传递到地球，激光光束还需要经过精确的定向、聚焦和接收处理。

中国科学院微小卫星创新研究院研究员李锐解释，由于激光方向性强，需要通过高精度对准平台实现天地收发端精确对准，才能传输信号，也就要求高精度光学对准技术发展。

方向性好且能量集中，一方面是优势——地面接收望远镜口径可以做得小一点，摆脱了无线电波通信系统巨大的碟形天线设备，探测器端也可以做的体积更小、重量更轻。经济效益上看，也能让激光通信相关系统、设备的建造和维护费用相对低廉。

但从另一方面来看，这些特点就变成了挑战。我们可以把激光发射器想象成一盏高瓦数但不发散的射灯，深空到地球传信意味着要准确地在千万公里外，穿进一枚铜币的中心，而这枚铜币和射灯本身都在运行中且不同步。

在尝试深空激光通信前，NASA曾利用激光光束把一段高清视频从距地面400公里国际空间站传送回地面，那一次主要的挑战就是如何“极度精确地”锁定位于美国加州一个小镇的地面站。NASA当时的项目负责人曾表示，这一任务就像要求“在10米开外，于行走中始终用激光指针瞄准某根头发的末梢”。

此外，从深空到地面，激光通信还要求发射方和接收方之间应没有遮挡，也就是满足“通视”这一激光通信的首要条件。

激光通信首先要避免光束与太阳在一条直线上，因为太阳辐射能量分布在从伽马射线、X射线、紫外线、可见光、红外线到无线电波的整个电磁波谱区内；其次，还要考虑大气内的气象因素，也就是地球大气层和云雾的影响，云层很有可能会导致通信质量下降甚至无法通信。

不过这些难题“灵神星”号都有所准备。比如为了提升通信的可靠性和稳定性，“灵神星”号采用了高效编码技术，通过对数据进行优化编码以及前向纠错编码等技术，在有限的带宽内实现更高数据传输速率的同时，降低了误码率，也就是避开宇宙射线、尘埃等物质，进一步提高数据传输的准确性。

不过，深空激光通信技术还不算尽善尽美，要想在复杂的深空环境中保持稳定的通信联系还需要高效半导体激光器、低噪声高灵敏度单光子探测等技术不断研发迭代。2016年时NASA曾预计，光通信技术将在2025年真正应用于深空探测任务中，并逐渐开始占据主导地位，高速、高通量的天地一体化通信网络或许近在眼前。

新一代通信技术——无线激光通信技术

本文转载自“清E联盟”，标题《激光通信的技术趋势及应用前景分析》和“华为培训”，标题《链接地球，冲向宇宙！什么是激光通信技术？》

据测算，到2027年中国“GW”激光载荷市场规模将达约800亿。

激光是利用单色光进行受激辐射后产生的光，特点是方向性强、亮度高、单色性好、相干性强 。激光比微波的频率高几个数量级，和微波一样都属于电磁波。

激光通信，顾名思义就是利用激光来传递数据，基本原理是将信号调制到激光的频率、振幅或者相位上面，然后进行传输。

根据传输介质的不同，激光主要分为三类：光纤通信，激光大气通信，自由空间激光通信 。目前应用最广泛的是光纤通信，另外两种通信方式也在近些年再度受到各技术强国的重视，取得了很大进展。

光纤通信

在激光通信的早期，激光大气通信技术吸引了发达国家投入大量人力物力进行研发，但是由于大气信道衰减补偿、大气信道折射率不均匀变化、器件和材料不过关、难以精确对接等技术难题，激光大气通信没有进入大规模商用。

到了20世纪60年代，高锟和G.A.Hockham经过仔细论证，提出了基于光纤的远距离通信方案。几年后光纤的衰减达到了高锟的要求，光纤传输成为现实。1975年，美国在芝加哥开通了第一条光纤通信实验线路，光纤通信时代正式开启。

光纤的导光原理

利用光的全反射 ，将激光导入光纤进行传输，就是光纤通信的基本原理。跟电缆传输比较，光纤通信有很多优势 ，比如超大的通信容量（单根光纤已经达到100Tbps），原料为石英（节省金属），绝缘抗干扰防窃听（在光纤内部传输）。

光纤入户

20世纪80年代以来，光纤通信产业一直保持着快速增长，已经成为支撑信息时代的数据传输技术。运营商的长途干线传输，已经从电缆、微波、卫星改成了光纤传输，全球互联网干线也采用了光纤通信，我国光纤入户家庭的占比更是达到了90%以上。

激光大气通信

激光大气通信和自由空间激光通信，都是在没有传输线路（光纤）的条件下进行的点对点通信。大气通信指的是利用空气作为传输介质 ，属于无线通信。

大气环境对光信号的影响

大气通信的优点是设备类别简单且通信容量大 ，单光束速率可达10Gb/s以上。缺点则是非常容易受到雨雪沙尘等天气影响。

云雨雾雪会造成信号衰减，烟尘微生物水滴造成散射，氮氧等气体分子则会吸收光信号，大气湍流带来的光斑闪烁和漂移……此外由于激光的指向性强，高稳定的瞄准捕获与跟踪（APT） 系统就变得非常重要，这也是大气通信大规模商用的难点之一。

水下蓝绿激光通信

我国在激光大气通信的研究方面起步比较晚，不过近些年进展较快。例如2009年的时候，西安理工大学便研发出通信距离长达3km~5km的大气激光视频传输系统 ，实现了全天候不间断的视频数据传输 。

随着材料技术、工艺技术、APT系统、大气补偿算法等关键技术的不断完善，大气激光通信应该会迎来一轮大发展，适用领域包括楼宇通信、跨河通信、岛屿入网、水下通信 等等。

自由空间激光通信

与激光大气通信的最大不同在于，自由空间激光通信主要用在太空领域 ，因此信道环境充斥着各种复杂的电磁波，在系统组成、关键部件和传输容量上倒是跟大气通信相差不大。自由空间激光通信既可用于卫星-卫星通信（星星传输），也可用于卫星-地面通信（星地传输） 。

由于通讯距离长达几千甚至上万公里，因此激光发散小、能量集中的特性可以大大降低发射机的功率和重量，发射端和接收端的口径也相应大大缩小。在星星传输和星地传输的场景下，体积小巧、功耗低、传输容量大，就成为激光通信相比于微波通信的巨大优势。

自由空间激光通信图示

最近几年，国内外对自由空间激光通信的研发投入不断加快。我国早在2017年，就成功进行了国际首次高轨卫星-地面 的双向激光通信试验，实测距离地球近4万公里的卫星和地面之间（星地传输）的通信速率达到5Gbps。

国际上，SpaceX在2020年进行了一次试验，两颗Starlink互联网卫星利用搭载的激光通讯载荷，传输了数百GB的数据（星星传输），为布局SpaceX公司的天基网络提供了重要参考。激光大气通信和自由空间激光通信成熟之后，将会和地面上的光纤通信网络交叉融合，构建出立体的天-空-地-海光通信网络 ，互联网将真正做到随时随地接入。

激光通信的技术发展趋势

激光通信的通信容量大，也即是传输速率更快。激光的频率比微波要高许多，作为通信的载波有更宽的利用频带。目前无线激光通信工作频段主要在365～326THz（对应波长范围光波长范围多在820nm～920nm），设备间无射频信号干扰。

从现有技术来说，光波作为信息载体可传输达10Gbit/s的数据码率，采用名为波分复用技术的方法还能进一步提高（将两种或多种不同波长的光载波信号在发送端经复用器汇合在一起，传输后在接收端经分波器将各种波长的光载波进行分离并恢复信号）。

激光通信的可靠性高，且保密性好。激光作为光源的发散角很小，能量集中在很窄的光束中。这意味着和邻近卫星间的通信干扰将会减小，避免了相互影响冲突，稳定性增强，也就是所谓的可靠性高。而且这样的光束具有高度的定向性，纤细而集中的发射波束指向接收机，可有效的提高抗干扰、防窃听的能力，除非其通信链路被截断，否则数据不易外泄，保密性好。

激光通信技术结合了无线电通信和光纤通信的优点，以激光为载波进行通信。激光通信技术具有抗干扰能力强、安全性高、通信速率高、传输速度快、波段选择方便及信息容量大的优势，其特点是系统体积小、重量轻、功耗低、施工简单、灵活机动，在军事和民用领域均有重大的战略需求与应用价值。

激光通信相关的设备体积小、质量轻、功耗低。激光的光束集中且携带信息量大，激光通信的能量利用率高，落在接收机望远镜天线上的功率密度高，发射机的功耗低，发射功率也可大大降低，所以发射设备及其供电系统可以做的体积更小、重量更轻，更加便于卫星等空间探测器携带。

另一方面，激光的波长短、穿透力强，方向性好且能量集中，这些优点也使得接收望远镜口径可以减小，摆脱了无线电波通信系统巨大的碟形天线，接收系统也可以做的体积更小、重量更轻。这些也使得激光通信相关系统、设备的建造和维护费用相对低廉。

表一：各种通信方式特点对比

（资料来源：公开资料，本翼资本整理）

激光通信的技术趋势就是向高速率、网络化、多用途以及一体化发展。

1、高速率

随着空间激光通信高速调制解调和传输技术的快速发展，未来星地激光通信链路速率有望达到100Gb/s量级。高速激光通信采用高阶调制方式如正交相移键控（QPSK）、正交振幅调制（QAM）和复用方式如波分复用（WDM）、时分复用（TDM）、轨道角动量复用（OAM），短距离（<1km）速率可达Tb/s量级。

2、网络化

随着全球化和信息技术的发展，亟需建设具有不依托地面网络、无缝覆盖全球、高带宽和抗毁性能的空间网络。因此，依托空间激光通信技术实现的天基宽带传送网络是今后发展的重要趋势。

空间激光通信技术逐渐从点对点模式向中继转发和构建激光网络的方向发展。由于激光网络建设的主要难点在于激光发散角小、光信号动态接入以及受空间环境影响大等，因此构建激光通信网络时，需突破“一对多”的激光通信技术难题、研究动态路由解决接入方案、寻求激光通信和微波联合通信体制。长春理工大学提出的采用旋转抛物面结构设计一点对多点光学收发天线，实现多颗卫星间激光通信组网，光学原理简单，是探索解决这一难点的重大突破。

3、多用途

随着空间激光通信技术的逐渐成熟，空间激光通信的高调制速率、远传输距离和低能耗的优点逐渐凸显。目前，空间激光通信技术已广泛应用于星间、星空、空空、空地等链路的宽带数据传输，并逐渐向深空探测、水下和地面接入通信扩展，用途越来越广。

深空探测是人类对月球、远距离天体或空间开展的探测活动，是了解太阳系及宇宙，揭示宇宙起源与演变，拓展人类生存空间的必然选择。月球探测工程的实施拉开了我国深空探测的序幕，随后又实施了火星探测工程。水下无线光通信作为一种新兴通信技术，具有容量大、带宽高、保密性好、抗干扰能力强等优势，已成为世界大国竞相发展的一项重要通信技术。利用可见光进行数据通信的无线光传输技术兼具照明、通信和控制定位等功能，易与现有基础照明设施相融合，且符合国家节能减排的战略思想，逐渐成为未来智能时代超高速泛在光联网的主要宽带传输方法。另外，在一些无法铺设光缆的特殊应用场合，如海岛之间、城市楼宇间、野外复杂环境等，空间激光通信技术可起到光纤通信技术所无法替代的作用。

4、一体化

由于激光在高速通信和精密测距方面具有优势，近年来激光测距与通信一体化技术越来越受到重视。激光测距与通信一体化设计是以高速通信为主，兼顾精密测距，使用同一束激光和硬件平台实现测距和信息传输，进而实现同一套设备完成测距和通信的双重功能。2013年NASA的LLCD系统已经成功实施月地高速激光通信与高精度测距的在轨演示验证，测距精度达到3cm；2014年，北京遥测技术研究所完成了基于相干通信的测距和高速通信一体化的设计；2015年，长春理工大学提出了空间目标测距、成像、通信一体化方案，其中激光通信信标光发射/接收和激光测距光发射/接收共用一个光学天线。

此外，激光和微波通信技术的融合，也是目前学术研究的热点，主要包括激光与微波收发融合、数据处理融合、微波信号的激光调制和产生等。目前，微波光子技术逐渐发展成熟，并已应用于雷达信号的激光传输和处理，未来该技术也将在激光与微波融合通信系统中应用。激光/微波混合传输的主要思想是通过在激光链路连接的两个节点间建立额外的微波链路，在天气恶劣的条件下使用微波链路进行辅助传输来保障节点间通信不间断。2006年，美国宾夕法尼亚州立大学的科学家进行了空载激光/微波混合传输的评估研究。研究发现激光链路受云层影响较大，主要是由于云颗粒带来的衰减及散射，但当微波链路引入后可以大幅提升整体链路的可用度。

通常的激光/微波混合传输方式为激光链路可以通时采用激光传输，无法通时改为微波链路进行数据传输。该种方法不仅不能有效利用整体信道带宽，在激光和微波链路进行切换的过程中也容易带来不必要的传输中断。2009年弗吉尼亚大学的科学家提出了一种符号率自适应联合编码方案，使得微波链路和激光链路同时高效工作。2010年马萨诸塞大学的科学家提出了混合信道码，通过利用非均匀码及速率兼容LDPC码，在提升通信容量的同时达到了电信级的可靠性（99.999%）。

中国卫星激光通信零的突破：覆盖全球

据中国航天科工集团消息，近日，“行云二号”01星、02星之间实现了建链流程完整、遥测状态稳定的双向通信，标志着卫星搭载的激光通信载荷技术得到成功验证，我国卫星物联网星座实现星间激光通信零的突破。

“行云二号”01星、02星的激光通信载荷质量为6.5千克，在轨功耗80瓦，是天基物联网“行云工程”的首发星，于2020年5月12日成功发射入轨，随即开展在轨技术测试，目前所有核心技术均得到充分验证。

据悉，星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，具有传输速率高、抗干扰能力强、系统终端体积小、质量轻、功耗低等优势，可以大幅降低卫星星座系统对地面网络的依赖，从而减少地面信关站的建设数量和建设成本，扩大覆盖区域、实现全球测控。目前，星间激光链路技术已成为全球卫星通信系统发展的关键技术。

公开资料显示，全球中低轨道星座项目中，只有美国的Starlink星座、LeoSat星座提出了采用星间激光链路实现空间组网的计划。

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