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。

为什么要选择激光通信？理论上激光通信要比无线电通信快上百万倍！

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。

北斗卫星突破激光通信技术，一秒传输几千兆，比5G快几十倍

文/BU 审核/张子扬 校正/知秋

30万人耗时26年，我国终于有了自己的北斗导航系统。自此我国摆脱了导航系统受制于人的困境，再添一个大国重器。

北斗导航系统拥有39颗在轨卫星，规模全球第一。这极大地保证了导航系统的覆盖范围与精度，北斗三号的全球范围定位精度能保证在10米以内，未来厘米级服务也有望实现。

值得注意的是，北斗导航系统其实不只能导航，还具备独有的通导功能，能够发送位置、短报文。如今，北斗更是在这一方面实现了重大突破。

突破激光技术

中科院在日前传来好消息，北斗卫星系统的激光通信设备成功实现多次激光通信实验，且实验数据证明，卫星可以几千兆字节/秒的速度将数据传向地面。

这一数据，比理论传输速率达1GB/8秒的商用5G通信，还要快上几十倍，属实令人惊异。 在6G时代，通信不仅停留在“地面”上，而是融合地面通信与卫星，实现真正的全球互联。

而中国在激光通信技术上的突破，显然为我国6G发展打下了基础，让我国在下一代通信技术竞争之中也能保持领先。

利用激光通信技术，我国有望实现近1TB/秒的超高传播速度，为当今通信领域带来革命性的突破。

如今，北斗激光通信实验的成功，让我国成为全球首个拥有激光通信网络的国家有了可能性，能为用户带来更为便捷、迅速的通信服务。

经过几十年的追赶，我国在卫星导航领域已经从昔日的落后于人，走到了全球的最前列。

必争关键技术

激光通信技术有着十分重要的意义，其不仅能带来更迅猛的商用通信速度，并且拥有防窃听与抵御电子战攻击的功能，在军事领域也十分关键，保证我国的信息安全。

因此，多国在这一必争之地始终都没有停下攻坚的脚步。未来，各国在这一领域的竞争更是会日益加剧。

但是目前来看，美、日等国在激光通信技术上的进展并不顺利。毕竟，激光通信的研发并不容易，尤其是激光在传输过程中如何减少受大气的干扰，是世界共同的难题。

在今年12月份，美国激光通信试验卫星发射终于成功升天，而根据计划，其实这颗卫星早在2019年时就应该发射。并且，该卫星的传输速率为2.8GB/秒，这一速度与我国相比还是有着一定的差距。

美国的这次落后，显然给了我国巨大的机会，让我国能尽可能地在激光通信技术上与美国拉开差距。

目前，在北斗卫星的基础上，我国激光通信即将进入工程试用阶段。 这表示，我国离激光通信技术的实际应用又迈进了一大步，这无疑令人骄傲。

北斗意义重大

北斗导航系统的问世于我国有着巨大的意义，其对我国国防军工产业的重要性自然是不必多说，而其在中国民用领域的影响也很是明显。

到2020年时，在北斗导航的基础上，我国已经发展形成4033亿产值的卫星导航与位置服务。 一方面，北斗导航在交通运输、农林渔牧等越来越多的领域发挥着愈发关键的作用；而在另一方面，北斗导航催生了数百万个就业岗位，为诸多产业提供了坚实的基础。

同时，我国北斗导航已经同全球137个国家建立了合作关系，为全球带来了精准而安全的导航服务，冲击了美国GPS长久以来的垄断地位。

而在如今，北斗系统又将在通信这一关键领域，带来了突破性的进展，令人十分期待。

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