激光通信奠基“太空寬帶”

太空寬帶時(shí)代就要到來了嗎？不久前，美國(guó)航天局宣布，該機(jī)構(gòu)利用激光束把一段高清視頻從國(guó)際空間站傳送回地面，成功完成一種可能根本性改變未來太空通信的技術(shù)演示。

太空傳回高清視頻

這一通信試驗(yàn)名為“激光通信科學(xué)光學(xué)載荷”(OPALS)。據(jù)美國(guó)航天局發(fā)布的消息稱，在技術(shù)演示中，一段時(shí)長(zhǎng)37秒、名為“你好，世界！”的高清視頻，只用了3.5秒就成功傳回，相當(dāng)于傳輸速率達(dá)到每秒50兆，而用傳統(tǒng)技術(shù)下載至少需要10分鐘。

OPALS利用極為細(xì)小的激光束傳輸數(shù)據(jù)，速率可比現(xiàn)有基于無線電波的通信方式提高10倍到1000倍。“這就好比從撥號(hào)上網(wǎng)升級(jí)到了寬帶上網(wǎng)。”負(fù)責(zé)這一項(xiàng)目的工程師波格丹·瓦伊德如是類比道。

此次試驗(yàn)的一大挑戰(zhàn)是“極度精確地”鎖定位于美國(guó)加州小鎮(zhèn)賴特伍德的地面站。美國(guó)航天局表示，由于空間站距地面400公里，運(yùn)行時(shí)速高，這一任務(wù)“好似在9米開外，于行走中始終用激光指針瞄準(zhǔn)某根頭發(fā)的末梢”。

在技術(shù)演示中，地面站首先瞄準(zhǔn)空間站發(fā)送一個(gè)激光光標(biāo)，然后被空間站上的OPALS系統(tǒng)鎖定，繼而開始傳輸視頻，整個(gè)測(cè)試進(jìn)行了148秒。

“看到華麗的光束從空間站上的微小載荷傳輸而來，真是難以置信。”O(jiān)PALS項(xiàng)目經(jīng)理馬特·亞伯拉罕森在一份聲明中說，“我們期待未來幾個(gè)月繼續(xù)OPALS試驗(yàn)，希望我們的工作能為未來的深空探索任務(wù)帶來光通信能力。”

各國(guó)競(jìng)逐相關(guān)研究

利用激光束作為載體，將數(shù)據(jù)信號(hào)調(diào)制到光載波上進(jìn)行傳輸，這就是空間光通信，也稱激光無線通信或無線光通信。它包括了深空、同步軌道、低軌道、中軌道衛(wèi)星間的光通信，也包括地面站的光通信。

美國(guó)此次就是用極為細(xì)小的激光束來傳輸數(shù)據(jù)。相較于傳統(tǒng)的以電波為載波的電波通訊，因?yàn)楣獠ǖ念l率是常規(guī)電波的數(shù)千倍，所以即使此次國(guó)際空間站到地面距離達(dá)到了400公里，也僅耗時(shí)短短3.5秒。

太空空間光通信被喻為太空寬帶，是一種可能從根本上改變太空通信的技術(shù)。有專家指出，它的優(yōu)勢(shì)第一是通信容量大、速率高。激光的頻率比微波射頻高3至4個(gè)數(shù)量級(jí)，作為通信的載波，具有更大的可用頻帶。第二是它的功耗小。第三是激光通信的設(shè)備體積小、重量輕，尤其適用于衛(wèi)星通信。第四是保密性好，可有效防止竊聽并提高抗干擾能力。

正是由于其眾多優(yōu)勢(shì)，不少航空航天大國(guó)紛紛開展相關(guān)研究。美國(guó)早在上世紀(jì)60年代中期就開始實(shí)施空間光通信方面的研究計(jì)劃，著名的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、林肯實(shí)驗(yàn)室、貝爾實(shí)驗(yàn)室等都加入其中。日本和歐洲空間局在80年代也開始了空間光通信研究。

我國(guó)相關(guān)研究起步較晚，但進(jìn)展迅速，與國(guó)外先進(jìn)水平差距并不大。目前我國(guó)開展相關(guān)研究的機(jī)構(gòu)主要有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、電子科技大學(xué)、清華大學(xué)、北京大學(xué)等。在2012年3月，我國(guó)“海洋二號(hào)”衛(wèi)星第一次搭載進(jìn)行了中國(guó)首次星地激光通信實(shí)驗(yàn)并取得圓滿成功，將衛(wèi)星和地面用激光鏈接起來，形成空間的信息高速公路。

地面應(yīng)用受制約

雖然空間光通信在太空中可以暢通無阻，但在日常生活中卻并不常見。

我國(guó)光通信與光網(wǎng)絡(luò)專家、華中科技大學(xué)劉德明教授解釋，這是因?yàn)樘罩袥]有空氣，近乎真空狀態(tài)，導(dǎo)致光在太空中幾乎不衰減，傳輸距離可以達(dá)到幾千公里甚至幾萬公里。但在地面，無線通信的信號(hào)通道是大氣空間，而光的大氣衰減很大，且受環(huán)境影響極為嚴(yán)重，所以地面上的應(yīng)用受到很大制約。

劉德明進(jìn)一步介紹：“例如，在晴朗天氣里，光的傳輸距離可以達(dá)到數(shù)十公里，而在霧霾天氣，光的傳輸距離大概只有幾米。另外，大氣空間對(duì)于空間光通信的信號(hào)傳輸性能也有很大影響，致使數(shù)據(jù)傳輸速率只能達(dá)到幾十到幾百兆比特，無法與光纖通信相比。在一些無法鋪設(shè)通信光纜的特殊應(yīng)用場(chǎng)合，例如海島之間的通信、城市大樓之間的通信、野外應(yīng)急通信等，空間光通信倒是可以起到光纖通信所無法替代的作用。”

變革人類通信系統(tǒng)

從世界航空航天大國(guó)對(duì)空間光通信技術(shù)的研究與成果來看，此次空間站和地面成功傳輸高清視頻說明了“太空寬帶”在不斷接近實(shí)用化。雖然最開始的空間光通信基本都是用于軍事目的，但從發(fā)展趨勢(shì)來看，它具有巨大的民用市場(chǎng)。有專家預(yù)測(cè)，未來很有可能形成立體交叉光網(wǎng)，在外太空衛(wèi)星和大氣層內(nèi)外形成高容量通信網(wǎng)，與地面的光纖網(wǎng)絡(luò)相鏈接，足以顛覆目前人類的通信系統(tǒng)。

成都信息工程學(xué)院教授王天寶指出，美國(guó)航空航天局的目標(biāo)是利用空間光通信技術(shù)，開發(fā)建立激光太空通信系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)“太空—地球”的遠(yuǎn)距、大數(shù)據(jù)通信。一旦建立激光太空互聯(lián)網(wǎng)，人類或?qū)㈤_啟至月球的快速可靠的數(shù)據(jù)連接網(wǎng)絡(luò)，甚至還可以連接至火星和更遙遠(yuǎn)的星球。假如將來有在太空生活的人們，就可以利用激光太空通信系統(tǒng)與地球人進(jìn)行高清視頻聊天。

光纖通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)給我們的生活帶來了極大改變。試想一下空間光通信會(huì)給人們帶來何種互聯(lián)網(wǎng)體驗(yàn)。2002年哈爾濱工業(yè)大學(xué)和美國(guó)OA公司建立了全面戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，將大氣中的自由空間激光通信產(chǎn)品投入生產(chǎn)。美國(guó)航空航天局早在1999年就已將星對(duì)地激光通信技術(shù)民用化，開發(fā)出5000米以內(nèi)的商業(yè)化FSO激光通信鏈產(chǎn)品。空間光通信將改變目前光纖通信材料和工程費(fèi)用高的狀況，并能克服河流、湖泊、立交橋等阻礙光纖鋪設(shè)的問題，或者根本就不用耗時(shí)耗資鋪設(shè)光纖。它將改變平面型通訊網(wǎng)絡(luò)的局面，實(shí)現(xiàn)電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的“三網(wǎng)合一”目標(biāo)，組建三維通信網(wǎng)絡(luò)。（據(jù)新華社、光明日?qǐng)?bào)）※