激光通信——继量子通信后中国又一通讯技术领先世界

激光通信是无线通讯的其中一种,以激光光波信号作为传输信息的载体,在太空星际和大气中直接传输。利用激光开发的通讯技术有以下优点:单色性好、方向性强、光功率集中、难以窃听、成本低、安装方便、见效快等。

激光通讯技术在欧洲、美国、日本等发达国家获得了巨大的资金投入,相关技术研究和在轨试验在不断的发展中,以欧洲尤为突出。

2006年12月,欧洲空间局(ESA)“阿特米斯”卫星(先进中继与技术任务卫星),与法国达索航空公司的一架“神秘”20飞机成功建立激光通信链路的试验。“神秘”20飞机在9970米高度利用激光通信装置与超过4万公里外的“阿特米斯”卫星之间成功建立了6条双向激光通信链路。

2008年底开始,欧洲空间局(ESA)决定在“欧洲数据中继系统”中应用激光通信终端,以便于促进空间激光通信系统的研发和实施早日达到成熟阶段。该系统采用两颗地球静止轨道(GEO)数据中继卫星(EDRS-A和EDRS-C)为低轨道(LEO)航天器和地面控制中心进行实时数据中继,构建“太空数据高速路”,并以商业模式运营。因此,“欧洲数据中继系统”取得的一系列进步,将让其成为世界上首个商业化运营的高速率空间激光通信系统。

搭载“欧洲数据中继系统”中EDRS-A载荷的首颗激光通信卫星Eutelsat9B,于2016年1月29日成功发射入轨,可提供激光和Ka电磁波段两种双向星间链路,星间激光传输速率达1.8Gbps,于同年7月投入业务运行。搭载“欧洲数据中继系统”的EDRS-C载荷的第二颗卫星于2018年发射入轨,目前,欧洲空间局已经有两颗激光通信卫星在运行。

另外一种说法是欧空局(ESA)激光通信中继卫星采用高低轨两颗卫星接力;低轨卫星终端(PASTEL)上传至高轨卫星终端(OPALE)通信速率为50Mbit/s,高轨卫星下传低轨卫星通信速率为2Mbit/s,双星最大通信距离4.5万公里,通信激光器采用GaAlAs二极管,直接光强调制。

美国的激光通信中继验证项目(LCRD),在2017年11月,美国国家航空航天局(NASA)发射了两颗创新型1.5U立方体卫星,旨在验证未来小型激光通信卫星的数据传输与小型卫星间的近距离操作能力。2017年2月NASA的LCRD项目通过设计审议,于2018年开始进行开发集成和测试,2019年新一阶段启动(原计划2017年启动的项目推迟了两年)。早在2013年,NASA就成功验证了从月球进行高速数据传输的激光通信试验(LLCD),创下了622Mbps的下载速率纪录。另外,美国NASA发文称,深空激光通信(DSOC)项目正在开发关键技术,并使其技术成熟度达到6级,该项目计划将于2023年启动。

中国光学实验卫星已经发射了三颗,2011年8月16日发射的海洋二号卫星就携带了激光通信装置,2016年发射的“墨子号”科学实验卫星,2017年4月12日发射的实践十三号卫星。

实践十三号卫星是国际上首次高轨卫星对地高速激光双向通信试验,该次试验链路跟踪稳定,攻克了光束高精度捕获难题,克服了卫星平台的运动、抖动等复杂因素影响,成功实现了对光束信号的稳定跟踪和快速锁定,平均捕获信号时间2.5秒,1小时跟踪稳定度达100%。传输速率方面,达到了领先世界的5Gbps,远远超过欧洲空间局(ESA)的1.8Gbps。通信质量方面,在国际上首次实现了高轨星地传输600Mbps、1.25Gbps、2.5Gbps、5Gbps等多种数据速率,误码率10~6。自主创新方面,首次采用波分复用激光通信技术,并对高速激光通信大气影响补偿等多项关键技术成功进行了验证,将为后续军民两用的发展奠定坚实的基础。

在目前世界激光通信领域,发展最快的当属法国,已经开始进入商业化运营。美国也是发展比较快的,美国是星地和深空激光通信同时发展。我国在激光通信领域的技术相对比较先进,但实用化方面还没有法国走得快。

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