晚30年后来居上！北斗再突破，激光通信秒传几千兆，领先美国一步

自 1895 年俄国物理学家A.C.波波夫，和意大利物理学家G.马可尼，分别成功地进行了无线电通信试验后，无线电通信逐渐深入我们的生活。经过百余年的不断发展，各种新的无线电业务不断涌现，已经遍及社会生活的各个领域。但随着通信数据的增加，无线电通信已经很难满足我们的需要，尤其是在卫星通信领域。

自 1950 年代开始太空探索以来，NASA 的任务就一直在利用无线电通信，向太空发送数据和接收来自太空发的数据。但随着频繁的太空任务，产生的数据传输需求越来越大，旧系统已逐渐不堪负荷，使得增强通信能力的需求变得至关重要。对此，NASA 开始探索将激光通信，作为未来地球与太空之间的通信方式。

无线电波和红外激光都是电磁辐射，只是其波长位于电磁波谱上的不同点。像无线电波一样，红外激光对于人眼来说也是不可见的，但我们每天都会通过电视遥控器或加热灯等物品接触到它。

由于用于激光通信的红外激光比无线电波的频率更高，因此红外光能将数据打包得更紧密，这意味着地面站可以一次接收更多数据。因此，虽然激光的传播速度不一定比无线电更快，但在一个下行链路中却可以传输更多数据。

而已知目前无线电通信的数据传输速度大约是每秒千字节，激光通信的传输数据是每秒几千兆字节。因此可见，理论上激光通信最多要比无线电通信快上一百万倍。

同时据 NASA 表示，保守估计，激光通信将使传输回地球的数据比当前的无线电系统多 10 到 100 倍。以地球与火星之间的传信为例，使用当前的无线电频率系统将完整的火星地图传回地球大约需要九周的时间，而使用激光的话，仅需要 9 天左右。

上图：无线电和激光通信之间数据速率差异的图形表示。NASA

此外，由于太空中的激光通信终端使用比无线电系统更窄的光束宽度，因此信号传播的方向性更强、传播范围也更加集中，进而拥有更小的“足迹”，可以大幅减少可以拦截通信的地理范围来最大限度地减少干扰或提高安全性，使得通信难以被窃听。

然而即便激光通信拥有如此多的优点，国际大部分从事激光大气通信技术研究的单位，却在 20 世纪 80 年代中后期，相继停止了进一步研究。有的国家甚至认为激光大气通信研究的路是一条“死胡同”，“走不通”，“是痴人说梦”。

但并非所有人都毫无进展。2021 年 12 月 7 日，NASA的激光通信中继演示（LCRD）装置，搭乘着阿特拉斯五号火箭，从卡纳维拉尔角空军基地的 41 号航天发射场发射升空。

上图：阿特拉斯五号火箭于从卡纳维拉尔角空军基地的 41 号航天发射场发射升空。

LCRD 将展示 NASA 的首个双向激光中继通信系统，通过不可见的红外激光传播信息，并以每秒 1.2Gbps 的速度从高约 22,000 英里的地球同步轨道上，向美国加利福尼亚和夏威夷的地面站发送和接收数据。而以这个数据传输速度，完全可以在一分钟内下载一部电影。除此之外，与无线电通信系统相比，激光通信系统更小、更轻、耗电更少。因此这些优势，可能会彻底改变该机构与整个太阳系的未来任务进行通信的方式。

但在激光通信领域，中国才是名副其实的王者。据环球网 12 月 6 日报道，中科院宣布中国为北斗全球系统研制的激光通信设备，已经顺利完成了多次激光通信试验。

值得注意的是，早在中国开始研究该技术的 30 年前，美国、日本等国家就已经开始寻求在卫星上，发展利用激光通信技术了。但始终未能解决其中的一些实际问题，其中最大的阻碍就是大气层。

上图：NASA 的 LCRD 任务操作中心管理LCRD的地面元件

由于空气可以吸收和反射光，因此能够顺利穿过大气层的光粒子太少。湍流还会扭曲或震动激光束，使光信号变得太模糊而无法阅读，尤其是在人类活动密集的城市地区。但咱们的研究人员开发了一种望远镜镜面，可以通过电荷改变形状，以减少空气湍流带来的模糊。中科院称，此次试验利用北斗激光通信设备，在城市复杂的大气条件下，稳定地实现了光通信。

而最值得自豪的是，北斗已经是世界上最大的卫星导航系统，在轨卫星数量达到 35 颗，超过美国 GPS 的 31 颗。而且北斗极其独特，不仅有导航功能，还有短信功能。并且，由于还没有哪种卫星导航系统真正使用上了激光通信，因此一旦北斗卫星导航系统的信号传输升级成激光通信，它的传输速度和定位精度都将遥遥领先于GPS、格洛纳斯和欧洲伽利略三大全球导航系统。

这同时也意味着，我国很可能成为全球首个拥有激光通信网的国家。就连美媒也表示：北斗进行激光通信试验，领先美国一步——可以提高卫星导航精度。文中报道，通过用激光束同步卫星的原子钟，预计可以将卫星导航精度提高 6 到 40 倍。

现在，中国已经在这一关键领域“超车”，一举攻破了西方国家的难题。预计未来，全球多国在该领域的竞争将愈发激烈。

TeraNet利用激光技术将空间通信速度提高1000倍

西澳大利亚大学的"TeraNet"是一个专门从事高速空间通信的光学地面站网络，它成功地接收到了一颗德国低地球轨道卫星发出的激光信号。这一突破为将太空与地球之间的通信带宽提高 1000 倍的目标铺平了道路。

西澳大利亚大学的西澳大利亚光学地面站 TeraNet 1。图片来源：Danail Obreschkow，国际太空中心

TeraNet与OSIRISv1进行的激光通信测试标志着西澳大利亚州在空间通信中用高速激光取代过时的无线电系统方面迈出了一步。在澳大利亚政府的资助下，该网络旨在支持各种任务，提高多个部门的数据传输能力。

由国际射电天文学研究中心（ICRAR）西澳大利亚大学节点的Sascha Schediwy副教授领导的TeraNet小组接收了来自OSIRISv1的激光信号，OSIRISv1是德国航空航天中心（DLR）通信与导航研究所的激光通信载荷。OSIRISv1 安装在斯图加特大学的飞行笔记本卫星上。这些信号是在上周四飞越该卫星时利用两个 TeraNet 光学地面站探测到的。

"这次演示是在西澳大利亚建立下一代空间通信网络的关键第一步。接下来的步骤包括将该网络与目前正在澳大利亚和世界各地开发的其他光学地面站连接起来，"Schediwy 副教授说。

使用移动光通信网络 - TeraNet 3 的学生。资料来源：ICRAR

TeraNet 地面站使用激光，而不是传统的无线无线电信号，在太空卫星和地球用户之间传输数据。由于激光的工作频率比无线电高得多，因此每秒可传输的数据量可能高达 1000 千兆比特。

天体光子学小组组长，Sascha Schediwy 副教授。资料来源：ICRAR

自近 70 年前发射第一颗人造卫星 Sputnik 1 以来，无线无线电技术一直被用于太空通信，自那时起该技术一直保持相对不变。随着太空中卫星数量的增加，每一颗新卫星都能产生更多的数据，现在在将数据传回地球方面出现了一个关键的太空瓶颈。

激光通信非常适合解决这个问题，但缺点是激光信号会被云层和雨水干扰。TeraNet 团队正在通过建立一个由分布在西澳大利亚的三个地面站组成的网络来缓解这一缺点。这意味着，如果一个地面站出现阴天，卫星可以将数据下载到另一个晴天的地面站。

此外，接收卫星激光信号的两个 TeraNet 地面站之一就建在一辆定制的吉普车后面。这意味着它可以迅速部署到需要超快速空间通信的地点，例如因自然灾害而切断传统通信链路的偏远社区。

来自太空的高速激光通信将彻底改变地球观测卫星的数据传输，极大地增强军事通信网络的安全性，并为自主采矿作业等部门的安全远程操作以及国家灾害规划和响应提供支持。

作为澳大利亚航天局"月球到火星演示任务"资助计划的一部分，ICRAR的TeraNet团队于2023年获得了澳大利亚政府、西澳大利亚州政府和西澳大利亚大学的资助。该项目耗资630万澳元，支持在西澳大利亚州建设三个TeraNet光学地面站，德国航空航天中心（DLR）将以实物形式提供其配备激光通信设备的在轨卫星。

TeraNet 将支持在低地球轨道和月球之间运行的多个国际太空任务，既使用经过验证的传统光通信标准，也使用更先进的光学技术，包括深空通信、超高速相干通信、量子保密通信以及光学定位和授时。

该网络包括位于西澳大学的一个地面站、位于珀斯以北 300 公里处的 Mingenew Space Precinct 的第二个地面站，以及正在欧洲航天局新诺西亚设施调试的一个移动地面站。

编译自/ScitechDaily

相关问答

激光通信通常分为哪四种形式?

答:激光通信通常分为大气通信、空间通信、水下通信和光导纤维通信四种形式。1.大气激光通信是让载有信息的激光光波通过大气传输至对方,其工作原理及通信过...

激光通信是什么?

激光通信是一种利用激光作为通信载体的通信技术,它利用激光发射器将信息转换为激光信号,并通过自由空间或光纤传输到接收端。由于激光具有方向性强、传输速度...

激光雷达属于通信设备吗?

激光雷达确实可以被视为通信设备的一种。从学科的角度来看,激光雷达涉及到了光学工程、光电技术、电子科学与技术、信息与通信工程等多个领域。激光雷达在通信...

【用激光读盘时,应用的是激光()的特点;激光切割、焊接、打孔...

[最佳回答]用激光读盘时,应用的是激光(平行度好)的特点;激光切割、焊接、打孔等应用的是激光(超高温)的特点;而激光作为通信信号的“运载”则是因为激光的频...

宇航员在太空中的通讯方式如题,写出宇航员在飞船内外的通讯...

[最佳回答]在飞船内,因为船舱内有空气,可以直接对话或者使用有线电话.在飞船外,使用无线电或激光通信.

激光都有哪些?用途有哪些?

新天力助全球抗疫诠释企业责任担当——新天激光抗疫促生产保障活动全球化时代,各国命运相连、休戚相关,人类社会已成为一个“你中有我、我中有你”的共同体...

现在有了激光武器没?

其实我们早就有了。据环球网5月23日援引CNN的消息,当地时间22日,美国太平洋舰队发表声明称:一艘美国海军军舰用一款新型的高能激光武器摧毁了飞行中的飞机。...

激光芯片几纳米?

激光芯片的尺寸通常在几纳米级别。随着纳米技术的发展,激光芯片的尺寸逐渐缩小,目前已经实现了纳米级别的激光芯片。这种小尺寸的激光芯片具有高集成度、低功...

华为招聘激光通信工程师..._通信工程师_帮考网

岗位职责:1.负责激光通信系统的设计、开发、测试等工作;2.负责激光通信系统的性能优化和问题解决;3.负责激光通信系统的技术研究和新技术的引入;4...

星地激光高速通信是什么?

星地激光高速通信是一种利用激光技术实现地球和卫星之间高速通信的方法。通过在地球和卫星间建立激光通道,将信息以光速传输,实现高速、稳定、安全的数据传输...