中、美、欧谁将率先实现空间激光通信 看完你就知道了

电子发烧友网工程师 发表于 2018-04-13 12:14:00 收藏 已收藏
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中、美、欧谁将率先实现空间激光通信 看完你就知道了

电子发烧友网工程师 发表于 2018-04-13 12:14:00

航天员景海鹏、陈冬生活在天宫二号的时间里,我们亲眼见证两位航天员与总书记通话,在太空泡茶、跑步、种菜,甚至还能收看新闻联播!而实现这一切天地的“亲密接触”全依赖于空间通信技术。

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习近平总书记与神舟十一号航天员通话

今天,就给大家介绍一种空间通信技术,它有“太空宽带”之称,受到各大技术强国的普遍“追捧”,它就是空间激光通信。

空间激光通信“牛”在哪

目前,卫星上常用的微波通信由于载波频率的限制,通信速率在应用上已经接近极限,微波通信逐渐变得“心有余而力不足”。

空间激光通信是以激光为载波,激光的频率很高,比微波的频率高3-4个数量级,有非常巨大的通信容量,可以轻松实现10Gbps以上的通信速率,采用复用的手段能获得Tbps以上的通信速率,轻松实现海量数据的实时传输。

另外,空间激光通信还具有抗干扰能力强、抗截获能力强、安全保密性好、体积小重量轻功耗低等优点,通信的质量更高。

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NASA利用LADEE建立地月激光通信链路,通信速率可达622Mbps

如何实现空间激光通信

简单点说,空间激光通信就是将信息电信号通过调制加载在激光上,通信的两端通过初定位和调整,再经过光束的捕获、瞄准、跟踪建立起动态光通信链路,然后光再通过真空或大气信道传输信息。

空间激光通信系统是极其复杂的。它包括了光源系统,发射和接收系统,信标系统,捕获、瞄准、跟踪(APT)系统以及其它辅助系统。其中,捕获、瞄准、跟踪(APT)分系统是空间激光通信系统所特有的系统。

APT分系统主要负责空间激光通信链路的建立和保持,由于空间激光通信终端的光束发散角非常小,为微弧度量级,这对APT系统提出了非常高的要求,跟瞄精度达到1μrad左右。这个精度被日本学者喻为在日本东京观测富士山上一支移动的绣花针的针尖。

哪些才算空间激光通信

空间激光通信的链路共有6类:星间激光通信、星地激光通信、星空激光通信、空空激光通信、空地激光通信、地地激光通信。

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空间激光通信链路示意图

星间激光通信链路的信道是自由空间信道,没有大气、气象等因素的干扰,是激光通信最合适的应用场合,因此各国都选择星间激光通信链路作为激光通信在空间应用的切入点。

相比星间激光通信链路,星地激光通信的激光信号需要经历自由空间、大气湍流随机信道,云、雨、雾霾等气象条件的影响,实现高可靠和高可用度应用难度大。

但空间的数据最终都要向地面传递,因此星地激光通信技术是目前空间激光通信的瓶颈,也是目前研究的重点和难点。

经过多年的研究,科学家们发现,实现空间激光通信的技术难题主要集中在几大块——

跟踪难!大气干扰!距离远!

捕获、瞄准、跟踪技术是空间激光通信的关键技术之一。从前文的叙述中可以看出,技术难度不是一般的高啊。不确定区域大,光束束散角小,平台振动以及通信平台之间的相对运动影响都是攻克这一技术的难点。

大气干扰对激光通信影响很大。激光束通过大气传输时存在损耗、湍流、激光波前畸变等情况,不仅影响通信速率和通信效果,严重时甚至无法通信。

空间激光通信的传输长度动辄以几千千米、几万千米计算,激光在这么长距离的传输中会产生很大的能量损失,接收的光信号往往十分微弱,此外,背景光(太阳、月亮、星体等)也将产生很强的干扰,大大增加了光信号的接收难度。

激光的特性决定了空间激光通信适合点与点之间的安全通信,组网时需要大面积覆盖也比较困难。

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通过中继卫星进行火星与地球的激光通信

空间激光通信的“家族”

空间激光通信的研究已开展多年,但直到近几年,技术的突破与带宽的提升才真正推动空间激光通信进入了应用阶段。

欧洲数据中继系统(EDRS)计划

2016年1月30日,欧空局成功发射通信卫星EDRS—A,该卫星可提供激光和Ka波段两种双向星间链路,星间传输速率可达1.8Gbit/s。EDRS计划是首个商业化运营的高速率空间激光通信系统,标志着空间激光通信已从技术演示转入应用阶段。

EDRS计划涉及1个地面站、2个低轨卫星(Sentinel1A、Sentinel 2)和3个高轨卫星(Alphasat、EDRS-A和EDRS-C),由近地轨道卫星传输数据到静地轨道的中继卫星,再经过中继卫星传输,将数据传回地面。

欧空局拟在2017年中期发射EDRS-C,这一卫星仅提供激光链路。并在2020年补充第三颗卫星“全球网”(GlobleNet),从而实现全球数据中继服务。

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EDRS激光通信演示

美国激光通信中继演示系统(LCRD)计划

2017年,美国宇航局将发射“激光通信中继演示卫星”(LCRD),通信链路包括GEO(地球同步轨道)卫星与地面站之间的双向激光通信链路,地面站—GEO—地面站的中继激光通信链路,期望在地球同步轨道与地面站间实现高达2.88Gbps的通信速率。

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LCRD通信链路演示

同时,美国在激光通信组网方面提出了一系列计划。2010年提出的转型卫星通信计划(TSAT),将星地通信、星间通信、星空通信、空空通信等纳入通信组网中,实现已有的微波通信向激光通信转型。

2014年,美国开始研究“卫星一地面全球混合全光学网络通信技术”,基于中地球轨道激光通信系统,集成空间光通信与地面和海底光纤通信网络,以期实现4.8Tbit/s的星间激光通信速率和200Jbit/s的星地双向激光通信。

日本“激光数据中继卫星”计划

日本计划在2019年发射“激光数据中继卫星”,将当前数据中继系统的微波链路替换为激光链路,预设通信速率达2.5Gbit/s。

中国“墨子号”量子卫星

2016年8月16日,全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”成功发射,有效载荷之一为空间高速相干激光通信分系统。

空间激光通信将带来通信的革命,相信在不久的将来,我们就能享受空间激光通信带来的便捷。

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