中國集群通信網(wǎng)
遨游宇宙如何溝通？解讀神秘的太空通信
人類對于未知事物總是充滿好奇，而在眾多的未知事物之中，宇宙（或者說是外太空）無疑是最為神秘的，因此人類對于宇宙的探索從未停歇，并將其視為科學研究的終極目標之一。
隨著科學技術(shù)的進步，今天我們已經(jīng)可以借助多種方式探索宇宙的奧秘，包括望遠鏡、宇宙飛船（航天器）、衛(wèi)星、空間站等等。特別是隨著航天器的出現(xiàn)，更成為了我們探索宇宙的利器——人類遨游宇宙已經(jīng)不再是夢想（此時可回憶一下《星際迷航》等宇宙題材類電影中的景象）。那么現(xiàn)在問題來了，這些航天器（包括衛(wèi)星、空間站等）是如何與地球保持通信的呢？語音、數(shù)據(jù)、甚至是視頻圖像又是如何進行傳輸?shù)哪兀咳绻阆胫来鸢傅脑挘旅嬗嘘P(guān)太空通信的精彩內(nèi)容你絕對不能錯過！
首先讓我們來回顧一個激動人心的歷史瞬間——1957年由蘇聯(lián)制造的第一顆人造衛(wèi)星發(fā)射成功，該衛(wèi)星就內(nèi)置了一臺無線電發(fā)報機，其從太空不斷地向地面接收站發(fā)送“滴滴”的信號。因此無線電通信就成了最早的太空通信方式，并且已經(jīng)沿用至今，例如我們的通信衛(wèi)星。
而隨著人類探索宇宙步伐的加快，衛(wèi)星已經(jīng)不只停留在近地軌道，而是已經(jīng)開始不斷向外拓展（例如繞月軌道）；與此同時，航天器已經(jīng)完成月球、火星等探索，并在向更遠的深空不斷前行。此時，太空通信已不僅僅是簡單的衛(wèi)星與地面的通信（稱為星地通信），還包括衛(wèi)星（航天器）之間的通信，以及借助中繼衛(wèi)星實現(xiàn)的星地通信等。
其實早期的深空探測器并不是借助中繼衛(wèi)星與地面通信的，而是采用最為直接的星地通信方式，例如美航天局1977年所發(fā)射探測器——旅行者一號。
如上圖所示，旅行者一號配備了一個巨大的“鍋”式天線，其直徑達3.7米，然后與地球上直徑高達37米的接收天線（也是“鍋”）進行通信，然而這種通信方式只能待兩個天線對準時才能通信，通信效率可想而知，因此為了提升通信效率，中繼衛(wèi)星應運而生。
最早投入應用的中繼衛(wèi)星就是美國部署在木星軌道上的奧德賽衛(wèi)星，其作用是將火星探測車的數(shù)據(jù)傳回地球。而如今，在地球軌道之上，也有著眾多的中繼衛(wèi)星，比如美國的TDRS，中國的天鏈，日本的DRTS等等，它們已經(jīng)成為了星地通信之間的高效溝通“橋梁”。
而無論是星地通信（包括中繼），還是衛(wèi)星（航天器）間通信，均是借助無線電通信技術(shù)來實現(xiàn)的，但無線電通信技術(shù)有著自身的缺陷，首先是根據(jù)軌道（距離）的不同，存在多種通信波段（包括L、S、C、K、Ku、Ka等），而相同波段間的干擾，就會影響通信質(zhì)量；其次，目前深空探測主要手段就是提升天線增益、提高通信頻率、降低噪聲，而想要提升天線增益，要么加大天線面積，要么增加天線數(shù)量，但都會加大航天器本身的負擔；當然，最為重要的是，視頻溝通必將成為太空通信的新趨勢，而無線電通信的帶寬（數(shù)據(jù)傳輸速度）難以滿足這一要求，因此激光通信成為了新的焦點。
第2頁：被視為“太空寬帶”的激光通信
激光通信：被視為“太空寬帶”
什么是激光通信？其實激光本質(zhì)上也是一種電磁波，其基本通信原理與無線電通信原理相似，即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，因此也可以稱之為空間光通信。
剛剛我們已經(jīng)談到了無線電通信在太空通信應用中的不足之處，而激光通信則可以很好地解決這些問題。首先，其開辟了全新的通信頻道使調(diào)制帶寬可以顯著增加，即提升通信帶寬和數(shù)據(jù)傳輸速度，因此其被視為“太空寬帶”；其次，其能將光功率集中在非常窄的光束之中，這使得相關(guān)器件的尺寸、重量和功耗都將明顯降低，而低功耗也更適用與中繼衛(wèi)星（傳統(tǒng)中繼衛(wèi)星難以滿足遠距離、高功率無線電通信傳輸需求）；第三，各通信鏈路間的電磁干擾小，通信質(zhì)量更高；第四，激光本身具備出色的保密性，可有效防止竊聽。
其實激光通信已在我們的生活中得到廣泛的應用，比如家中的光纖寬帶網(wǎng)絡等，但要說到將激光通信真正應用于太空通信之中，還是最近幾年的事情。例如，2008年3月間，美國NFIRE衛(wèi)星與德國TerraSAR-X衛(wèi)星使用激光終端成功進行了太空寬帶數(shù)據(jù)傳輸，兩顆衛(wèi)星在距離5000公里宇宙空間建立了光學鏈接，并以5.5Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速度完美地實現(xiàn)了雙向操作，這一數(shù)據(jù)傳輸速度相當于每小時傳輸20萬張A4文件或400張DVD。
隨后，美國國家航空航天局（NASA）又利用激光通信將“蒙娜麗莎”送上月球，而為了將名畫《蒙娜麗莎的微笑》傳輸?shù)嚼@月飛行的“月球勘測軌道飛行器”上，NASA先將這幅名畫進行數(shù)字編碼，并分解為152×200個像素，然后將每個像素都變?yōu)榧す饷}沖，從地面基站傳輸給38萬公里外的“月球勘測軌道飛行器”上，這次傳輸?shù)乃俣燃s為300比特每秒。
而在2012年10月，俄羅斯的國際空間站也首次利用激光通信將電子數(shù)據(jù)傳送到地面接收站——其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為2.8GB，傳輸速度達到了1000Mbps。
當然，近期最受關(guān)注的事件當屬2014年6月NASA展示的激光通信技術(shù)在實際應用中取得的突破性進展——從國際空間站成功向地面發(fā)送了一個37秒的，名為“你好，世界！”的高清視頻，用時僅3.5秒，傳輸速度比傳統(tǒng)的無線電通信快10到1000倍。
第3頁：我國在太空通信領域取得新突破
我國的太空通信：起步晚 發(fā)展快
作為一種可能從根本上改變太空通信的技術(shù)，激光通信早在上個世紀就吸引了不少航天航空大國的高度關(guān)注。其中最早行動的是美國，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；隨后進入80年代，日本和歐洲空間局也開始了空間光通信的相關(guān)研究。相比之下，我國的空間光通信研究起步較晚，但發(fā)展速度卻非常喜人，目前與國外的先進水平差距并不大。
在2012年3月，我國的“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，并取得了圓滿成功——將衛(wèi)星和地面用激光鏈接起來，真正形成了宇宙空間與地面之間的信息高速公路。而據(jù)了解，此次試驗的難點在于高速運動中的衛(wèi)星與光通信地面站，在近2000公里距離的情況下要實現(xiàn)精度遠高于“針尖對麥芒”的動態(tài)光束雙向鎖定跟蹤，而我們最終順利地突破了這一難點，為實驗成功打下了堅實的基礎。
我國還是繼美國之后第二個完成太空授課的國家。2013年06月20日上午10時，神舟十號航天員在天宮一號開展基礎物理實驗，即太空授課，此次課程持續(xù)了45分鐘，內(nèi)容為展示并講解太空中的失重現(xiàn)象等。
值得一提的是，以往的載人航天任務受帶寬限制，航天員在太空中只能聽到聲音卻無法看到地面的高清畫面，而此次太空授課是通過天鏈衛(wèi)星進行數(shù)據(jù)“中轉(zhuǎn)”傳送，實現(xiàn)了雙向?qū)崟r授課畫面，以及天地之間的視頻提問和回答。
突破：我國星地量子通信研發(fā)成功可兼容激光通信
雖然目前激光通信仍處于試驗階段，但我國已經(jīng)將目光瞄向了太空通信更遙遠的未來，即量子通信。量子通信因其超高速、超遠距離的傳輸特性，以及絕對保密的優(yōu)勢，同樣引起了航空航天大國的高度關(guān)注，其中中國在這一技術(shù)領域的研究可謂相當積極。
特別是在技術(shù)研究方面，目前我國中科院的研究人員已經(jīng)將自動交換光網(wǎng)絡（ASON）引入量子通信網(wǎng)絡之中，并研發(fā)出了一種兼容激光通信的“星地量子通信系統(tǒng)”，該系統(tǒng)的最大創(chuàng)新就是可以使用一套光學收發(fā)系統(tǒng)和跟蹤瞄準系統(tǒng)，實現(xiàn)在星地之間同時進行量子通信和激光通信。與此同時，我國還利用平流層平臺進行了自由空間量子通信的研究，實現(xiàn)了光信號長距離超光速的傳輸，并均已申請專利。
第4頁：突破“太空寬帶”瓶頸 勾勒美好未來
激光通信：仍需突破“瓶頸”
激光通信技術(shù)雖好，但目前仍處于試驗/試用階段，還有不少瓶頸需要突破：
第一，大氣對激光通信信號有吸收和散射的作用，同時大氣湍流還會嚴重地影響信號的接收；此外，雖然激光通信不會像無線電通信一樣受到電磁干擾，但存在于大氣中的與激光波長相近的粒子（例如氣體分子、水霧、霾等）則會引起光的吸收和散射，從而影響光波的傳輸質(zhì)量，而在遇到強大的氣湍流時，這種影響更加明顯。相信細心的朋友已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在此前我們介紹各航空航天大國的試驗中，衛(wèi)星（航天器）間的數(shù)據(jù)傳輸速度要明顯高于星地間的數(shù)據(jù)傳輸速度，這主要就是因為大氣的影響。
還好，目前很多國家為克服激光通信在星地傳輸時易受到大氣影響的缺點而不懈努力著，并已經(jīng)取得階段性成果，即將載有通信信息的激光束沿著直徑小于0.1毫米的優(yōu)質(zhì)光學纖維波導傳輸，可減少大氣的影響。
第二，激光發(fā)射機與接收機之間的瞄準仍是難題。在前文中我們已經(jīng)談到，要利用激光通信完成遠距離衛(wèi)星間或星地間的發(fā)射與接收，就必須進行遠距離衛(wèi)星間（或飛行器間）、衛(wèi)星與地面站之間的捕獲與跟蹤，既依賴于激光通信系統(tǒng)，又取決于光學跟瞄系統(tǒng)。雖然目前包括我國在內(nèi)的幾個國家已經(jīng)實現(xiàn)了星地之間的動態(tài)光束雙向鎖定跟蹤，但同時移動的衛(wèi)星間的鎖定與跟蹤則仍需取得突破。
第三，激光發(fā)射和接收天線的效率會對傳輸質(zhì)量產(chǎn)生影響，出于獲取最小光斑的目的，發(fā)射天線的設計要接近衍射極限，這就給接收天線精確對準帶來了挑戰(zhàn)，理論上接收天線直徑越大接收效果越好，效率越高，但這又會帶來衛(wèi)星（飛行器）體積和重量的增加，如何取得兩者的平衡很重要。而取得突破的關(guān)鍵則是要借助創(chuàng)新技術(shù)提高接收天線的靈敏度。
第四，超遠距離傳輸也存在隱憂（信號衰弱和時延），如果激光通信不想被量子通信取代，這方面必須實現(xiàn)突破。
激光通信為我們勾勒美好未來
雖然現(xiàn)階段星地、衛(wèi)星間仍以無線電通信為主流，但通過我們的介紹不難看出，激光通信已經(jīng)為我們勾勒出了美好的太空通信未來——按照NASA的設想，借助激光通信技術(shù)建立太空通信系統(tǒng)，以實現(xiàn)“太空—地球”的遠距、大數(shù)據(jù)通信。屆時，我們不僅可以實時與月球視頻通信，甚至可以與木星或是更遙遠的星球進行實時視頻通信。
而激光通信技術(shù)將不僅僅應用于太空，作為星地間數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)，其將實現(xiàn)與地面光纖網(wǎng)絡的互補，從而建立起立體交叉光網(wǎng)，在外太空衛(wèi)星和大氣層內(nèi)外形成高帶寬通信網(wǎng)，從而徹底顛覆目前全球通信系統(tǒng)（海底光纜+衛(wèi)星與地面間的無線電通訊），打造可滿足物聯(lián)網(wǎng)時代需求的大帶寬網(wǎng)絡（激光通信的速度可達2-10Gbps）。
今天，聯(lián)接已經(jīng)成為現(xiàn)代社會之中最基本的生活要素，就像空氣和水一樣無處不在，一個全聯(lián)接的地球正在形成。而隨著以激光通信、量子通信為代表的新一代太空通信技術(shù)的出現(xiàn)，我們相信，今天如電影《星際迷航》中的夸張?zhí)匦Ь跋螅诓痪玫膶順O有可能成為現(xiàn)實（至少跨星球的視頻通信將不再是夢）！
(責任編輯：李俊勇)