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从电波到激光 星间信号传输模式这样变

来源:科技日报2019-05-23 09:01

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  “星座中的卫星会组建‘星间互联网’,之前它们用无线电波‘对话’,现在升级为利用激光链路传递信息。”航天行云科技有限公司副总经理杜利近日接受科技日报记者采访时表示,通过携带能够发射和接收激光的载荷,星间通信将从“电波时代”跨入“激光时代”。

  在电波时代,卫星之间的通讯信号发射犹如“小李飞刀”,不断丢出信号包,刀刀命中,但数据量的传输体量有所限制。随着人们通讯需求的增加,很可能出现“拥堵”的情况,就如同一筐“飞刀”有发射需求,“小李”武功再高也很难通过传统模式完成。

  星间激光通信给出了解决之道,它犹如动感超人发射的“动感光波”,速度极快能量更大。那么星间激光通信为什么能够满足更大的需求?具体是一个什么样的通信过程呢?实现星间激光通信的难点又在哪里?

  又快又“重载”,激光传输好处数不胜数

  随着卫星通信传输数据需求的增加,传输数据量剧增,传统的微波通信受到传输容量的限制,成为星间通信“瓶颈”。杜利认为,现代的卫星通信在准确的基础上,需要量大、实时、传输距离远,这要求卫星通信具有更高的传输数据率。

  既然传统模式难以完成,那么什么载体更能担大任呢?人们想到了“光”,激光将以接近光速的速度传递信息,完成实时、快速的要求。

  星间激光通信所利用的激光比微波频率高3—4个数量级。频率越高意味着它在同样的时间里变化越大,就如同一个弹簧的“压缩”,能够“压入”更大量的数据,实现对数据的“重载”。

  选择激光作为载体,人们还得到了很多其他的便利。杜利解释:星间激光通信无需频率申请许可,而传统的无线电波频段是战略资源,目前国际电联严格管控星载微波频段,很难申请大容量数据带宽,我国用户申请频率许可更是难上加难。激光通信意味着绕开了“管制空路”,获得了更广阔的便利空间。

  此外,星间激光通信具有比微波更窄的波束,信号覆盖范围很小,因而具有很好的抗干扰和抗截获能力。犹如利剑直插,难以被阻挡或化解。

  在对基础设备的功耗方面,激光通信也更显“友好”。杜利解释,星间激光通信的能量聚集度很高,当链路所需数据率在Gbps以上时,星间激光通信在终端体积、重量和功耗方面具有明显优势,从而降低了对卫星平台的要求。

  边跑边接,多一道“转换”手续

  “无论是星间激光通信,还是星间微波通信,其目标均是实现两个或多个处于相对高速运动的通信设备之间的实时通信。”杜利说,需要解决的根本问题包括两个,一是如何通信,二是如何建立通信链路并始终维持稳定的链接。

  从本质上讲,星间激光通信和星间微波通信都属于电磁波通信,两者的系统组成是基本相同的,均包括信源、发送设备、信道、接收设备、信宿五个部分。

  一条信息在天上的“星座”中完成传输的路径是这样的:信源产生信息,将待传输的各种信息(文字、图片、语音、视频等)转换为原始电信号,称为消息信号,信号产生后会变换为适合在信道中搬移的类型,进入信道,在自由空间里“奔跑”,随后由接收设备接受,从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始信号,“挑拣出”正确信号,会留下到传输信息的“归宿地”,复原的原始信号转换成相应的信息。

  星间激光通信与星间微波通信不同的是:前者的信息载体是光。“但由于器件所限,信号不能以全光形式发送和接收,需要在发送端将待传输的电信号转换为光信号,在接收端将光信号转换为电信号才能正确复原原始信息。”杜利解释,也就是说要有一道“转换”手续,相应地有一道“转回”手续。

  星间激光通信技术的通信过程为:A星的光发射机将原始信息的电信号转换为光信号,调制后的光束经由发射光路,以空间光的形式发射给B星;B星的光接收机将光信号转换回电信号,并进行信号放大、判决和滤波等处理,恢复激光载波携带的原始信息。与此相比,星间微波通信的信息载体是无线电,无需进行发射端的电光转换和接收端的光电转换。

  百公里“穿杨”之外,不掉线面临更大挑战

  在茫茫太空中,距离遥远的一颗卫星发射的激光又如何能够抵达另一颗卫星的接收设备中呢?

  “以行云天基物联网的星座为例,两颗星之间的距离平均为数千公里,并且会相对快速移动。”杜利说。想象一盏高瓦数、不发散的射灯,准确地在几百公里外,穿进一枚铜币的中心,这枚铜币和射灯本身还在快速运行中,其难度甚于“百米穿杨”千百倍。

  不只如此,仅仅完成建立联系的瞬间精准还只是第一步,稳定地在严苛的太空环境下保持均一、持续的联系,不掉线也对星间激光通信设备提出了更高要求。

  杜利介绍,建立星间通信链路并保持链路稳定是一项最关键的技术。两颗卫星始终处于相对高速运动,要成功建链并保持稳定需要几大步骤,即瞄准、捕获和跟踪。

  瞄准是指激光终端需要瞄着某个方向发射信标光,以便对方能接收。为了相互瞄准,A星和B星需要预先知道什么时刻开始瞄准,对方在什么时刻会出现在哪个空间位置,光束从己方射出到达对方需要多长时间,“它们约定某时刻开始工作后,双方需基于自身姿轨控、地面遥测遥控和对方卫星轨道预报等信息,实时计算对方星体的相对位置(相对角度),向对方所处区域发射信标光。当发射信标光不足以覆盖对方星体所处的不确定范围时,还需使用信标光束扫描该区域。”杜利解释。

  信标光束犹如“信号弹”让彼此定位,如果入射的信标光均能进入A星和B星激光接收机的探测视场内,即实现了双向捕获。捕获过程会包括粗调,即接收系统将计算光斑质心与接收光学系统光轴标志点的脱靶量,驱动接收光学系统的粗瞄机构作偏转运动,使入射光斑质心向光轴标志点方向运动。

  跟踪则可视为“细调”“矫正”。当捕获模式中的光斑逐步接近标志点时,系统切换为跟踪模式,利用更小的窗口不断快速计算脱靶量,并实时反馈给跟瞄执行机构,以使入射光斑质心始终保持在光轴标志点附近。

  “星间激光通信是极远距离、极弱信号的探测,其技术难点来自于超远的距离、链路的动态变化和复杂的空间环境。”杜利说,由于距离超远,星间激光通信技术要求发展同时具备功率大、功耗低、线宽窄和温度稳定性好的激光器模块,超高灵敏度的光电探测器,以及高速光电转换器件。

  也就是说,要实现星间激光通信,硬件的高灵敏、高精确是基础,而算法的迅速和准确是保障,经过软、硬件的协同发展和磨合将逐步提高星间激光通信技术的高反应速度和高精度,例如实现建链时间的秒量级,光束对准精度在几微弧度之内。以上仅仅是星间的“一对一”通信,对于星间激光组网而言,还需考虑多路接入、路由切换和空间网络交换等问题。

  “对于商用激光通信星座而言,还需要考量性能和成本的协调发展,需要解决的将不仅是科学问题,还有与不同行业的匹配、兼容等问题。”杜利表示,星间激光通信作为一种高速数据传输手段,在需要快速回传卫星数据的场合,例如灾情采集、应急通信、敌情侦察、卫星导航等,激光链路可以提供很好的实时性;在需要传输大容量数据的场合,例如全球测绘、气象探测等,激光链路可以提供很好的稳定性。通过星间激光通信技术构建的星间通信骨干网,将有望变革未来空间通信技术,为未来高速、高通量天地一体化通信网络的建设奠定基础。(记者张佳星)

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