從電波到激光 星間信號傳輸模式這樣變 邊跑邊接，多一道“轉(zhuǎn)換”手續(xù)

“星座中的衛(wèi)星會組建‘星間互聯(lián)網(wǎng)’，之前它們用無線電波‘對話’，現(xiàn)在升級為利用激光鏈路傳遞信息。”航天行云科技有限公司副總經(jīng)理杜利近日接受科技日報記者采訪時表示，通過攜帶能夠發(fā)射和接收激光的載荷，星間通信將從“電波時代”跨入“激光時代”。

在電波時代，衛(wèi)星之間的通訊信號發(fā)射猶如“小李飛刀”，不斷丟出信號包，刀刀命中，但數(shù)據(jù)量的傳輸體量有所限制。隨著人們通訊需求的增加，很可能出現(xiàn)“擁堵”的情況，就如同一筐“飛刀”有發(fā)射需求，“小李”武功再高也很難通過傳統(tǒng)模式完成。

星間激光通信給出了解決之道，它猶如動感超人發(fā)射的“動感光波”，速度極快能量更大。那么星間激光通信為什么能夠滿足更大的需求?具體是一個什么樣的通信過程呢?實現(xiàn)星間激光通信的難點又在哪里?

又快又“重載”，激光傳輸好處數(shù)不勝數(shù)

隨著衛(wèi)星通信傳輸數(shù)據(jù)需求的增加，傳輸數(shù)據(jù)量劇增，傳統(tǒng)的微波通信受到傳輸容量的限制，成為星間通信“瓶頸”。杜利認為，現(xiàn)代的衛(wèi)星通信在準確的基礎(chǔ)上，需要量大、實時、傳輸距離遠，這要求衛(wèi)星通信具有更高的傳輸數(shù)據(jù)率。

既然傳統(tǒng)模式難以完成，那么什么載體更能擔大任呢?人們想到了“光”，激光將以接近光速的速度傳遞信息，完成實時、快速的要求。

星間激光通信所利用的激光比微波頻率高3—4個數(shù)量級。頻率越高意味著它在同樣的時間里變化越大，就如同一個彈簧的“壓縮”，能夠“壓入”更大量的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的“重載”。

選擇激光作為載體，人們還得到了很多其他的便利。杜利解釋：星間激光通信無需頻率申請許可，而傳統(tǒng)的無線電波頻段是戰(zhàn)略資源，目前國際電聯(lián)嚴格管控星載微波頻段，很難申請大容量數(shù)據(jù)帶寬，我國用戶申請頻率許可更是難上加難。激光通信意味著繞開了“管制空路”，獲得了更廣闊的便利空間。

此外，星間激光通信具有比微波更窄的波束，信號覆蓋范圍很小，因而具有很好的抗干擾和抗截獲能力。猶如利劍直插，難以被阻擋或化解。

在對基礎(chǔ)設(shè)備的功耗方面，激光通信也更顯“友好”。杜利解釋，星間激光通信的能量聚集度很高，當鏈路所需數(shù)據(jù)率在Gbps以上時，星間激光通信在終端體積、重量和功耗方面具有明顯優(yōu)勢，從而降低了對衛(wèi)星平臺的要求。

邊跑邊接，多一道“轉(zhuǎn)換”手續(xù)

“無論是星間激光通信，還是星間微波通信，其目標均是實現(xiàn)兩個或多個處于相對高速運動的通信設(shè)備之間的實時通信。”杜利說，需要解決的根本問題包括兩個，一是如何通信，二是如何建立通信鏈路并始終維持穩(wěn)定的鏈接。

從本質(zhì)上講，星間激光通信和星間微波通信都屬于電磁波通信，兩者的系統(tǒng)組成是基本相同的，均包括信源、發(fā)送設(shè)備、信道、接收設(shè)備、信宿五個部分。

一條信息在天上的“星座”中完成傳輸?shù)穆窂绞沁@樣的：信源產(chǎn)生信息，將待傳輸?shù)母鞣N信息(文字、圖片、語音、視頻等)轉(zhuǎn)換為原始電信號，稱為消息信號，信號產(chǎn)生后會變換為適合在信道中搬移的類型，進入信道，在自由空間里“奔跑”，隨后由接收設(shè)備接受，從帶有干擾的接收信號中正確恢復(fù)出相應(yīng)的原始信號，“挑揀出”正確信號，會留下到傳輸信息的“歸宿地”，復(fù)原的原始信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的信息。

星間激光通信與星間微波通信不同的是：前者的信息載體是光。“但由于器件所限，信號不能以全光形式發(fā)送和接收，需要在發(fā)送端將待傳輸?shù)碾娦盘栟D(zhuǎn)換為光信號，在接收端將光信號轉(zhuǎn)換為電信號才能正確復(fù)原原始信息。”杜利解釋，也就是說要有一道“轉(zhuǎn)換”手續(xù)，相應(yīng)地有一道“轉(zhuǎn)回”手續(xù)。

星間激光通信技術(shù)的通信過程為：A星的光發(fā)射機將原始信息的電信號轉(zhuǎn)換為光信號，調(diào)制后的光束經(jīng)由發(fā)射光路，以空間光的形式發(fā)射給B星;B星的光接收機將光信號轉(zhuǎn)換回電信號，并進行信號放大、判決和濾波等處理，恢復(fù)激光載波攜帶的原始信息。與此相比，星間微波通信的信息載體是無線電，無需進行發(fā)射端的電光轉(zhuǎn)換和接收端的光電轉(zhuǎn)換。

百公里“穿楊”之外，不掉線面臨更大挑戰(zhàn)

在茫茫太空中，距離遙遠的一顆衛(wèi)星發(fā)射的激光又如何能夠抵達另一顆衛(wèi)星的接收設(shè)備中呢?

“以行云天基物聯(lián)網(wǎng)的星座為例，兩顆星之間的距離平均為數(shù)千公里，并且會相對快速移動。”杜利說。想象一盞高瓦數(shù)、不發(fā)散的射燈，準確地在幾百公里外，穿進一枚銅幣的中心，這枚銅幣和射燈本身還在快速運行中，其難度甚于“百米穿楊”千百倍。

不只如此，僅僅完成建立聯(lián)系的瞬間精準還只是第一步，穩(wěn)定地在嚴苛的太空環(huán)境下保持均一、持續(xù)的聯(lián)系，不掉線也對星間激光通信設(shè)備提出了更高要求。

杜利介紹，建立星間通信鏈路并保持鏈路穩(wěn)定是一項最關(guān)鍵的技術(shù)。兩顆衛(wèi)星始終處于相對高速運動，要成功建鏈并保持穩(wěn)定需要幾大步驟，即瞄準、捕獲和跟蹤。

瞄準是指激光終端需要瞄著某個方向發(fā)射信標光，以便對方能接收。為了相互瞄準，A星和B星需要預(yù)先知道什么時刻開始瞄準，對方在什么時刻會出現(xiàn)在哪個空間位置，光束從己方射出到達對方需要多長時間，“它們約定某時刻開始工作后，雙方需基于自身姿軌控、地面遙測遙控和對方衛(wèi)星軌道預(yù)報等信息，實時計算對方星體的相對位置(相對角度)，向?qū)Ψ剿巺^(qū)域發(fā)射信標光。當發(fā)射信標光不足以覆蓋對方星體所處的不確定范圍時，還需使用信標光束掃描該區(qū)域。”杜利解釋。

信標光束猶如“信號彈”讓彼此定位，如果入射的信標光均能進入A星和B星激光接收機的探測視場內(nèi)，即實現(xiàn)了雙向捕獲。捕獲過程會包括粗調(diào)，即接收系統(tǒng)將計算光斑質(zhì)心與接收光學系統(tǒng)光軸標志點的脫靶量，驅(qū)動接收光學系統(tǒng)的粗瞄機構(gòu)作偏轉(zhuǎn)運動，使入射光斑質(zhì)心向光軸標志點方向運動。

跟蹤則可視為“細調(diào)”“矯正”。當捕獲模式中的光斑逐步接近標志點時，系統(tǒng)切換為跟蹤模式，利用更小的窗口不斷快速計算脫靶量，并實時反饋給跟瞄執(zhí)行機構(gòu)，以使入射光斑質(zhì)心始終保持在光軸標志點附近。

“星間激光通信是極遠距離、極弱信號的探測，其技術(shù)難點來自于超遠的距離、鏈路的動態(tài)變化和復(fù)雜的空間環(huán)境。”杜利說，由于距離超遠，星間激光通信技術(shù)要求發(fā)展同時具備功率大、功耗低、線寬窄和溫度穩(wěn)定性好的激光器模塊，超高靈敏度的光電探測器，以及高速光電轉(zhuǎn)換器件。

也就是說，要實現(xiàn)星間激光通信，硬件的高靈敏、高精確是基礎(chǔ)，而算法的迅速和準確是保障，經(jīng)過軟、硬件的協(xié)同發(fā)展和磨合將逐步提高星間激光通信技術(shù)的高反應(yīng)速度和高精度，例如實現(xiàn)建鏈時間的秒量級，光束對準精度在幾微弧度之內(nèi)。以上僅僅是星間的“一對一”通信，對于星間激光組網(wǎng)而言，還需考慮多路接入、路由切換和空間網(wǎng)絡(luò)交換等問題。

“對于商用激光通信星座而言，還需要考量性能和成本的協(xié)調(diào)發(fā)展，需要解決的將不僅是科學問題，還有與不同行業(yè)的匹配、兼容等問題。”杜利表示，星間激光通信作為一種高速數(shù)據(jù)傳輸手段，在需要快速回傳衛(wèi)星數(shù)據(jù)的場合，例如災(zāi)情采集、應(yīng)急通信、敵情偵察、衛(wèi)星導航等，激光鏈路可以提供很好的實時性;在需要傳輸大容量數(shù)據(jù)的場合，例如全球測繪、氣象探測等，激光鏈路可以提供很好的穩(wěn)定性。通過星間激光通信技術(shù)構(gòu)建的星間通信骨干網(wǎng)，將有望變革未來空間通信技術(shù)，為未來高速、高通量天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)奠定基礎(chǔ)。