40万公里之外,如何把一束极细的激光准确送到目标位置,再从微弱到几乎只有几个光子的信号中提取出有效信息？
我国科研团队近日给出了答案。
记者26日从中国科学院空间应用工程与技术中心获悉,我国地月激光通信试验任务取得重要突破,科研人员在超过40万公里的地月距离上成功建立双向激光链路,首次实现地月双向高速激光通信。
这意味着,我国空间激光通信技术实现了新的跨越,通信应用范围正式从近地轨道迈向地月空间。
如果把传统通信比作普通公路,那么地月激光通信正在建设一条连接地球与月球的“信息高速路”。
空间激光通信最大的优势之一,是能够利用激光束传输大量信息。
与传统无线电通信相比,激光通信具有带宽大,传输速度快,方向性强等特点。但距离一旦从近地轨道扩大到地月空间,原本看似简单的“对准”问题就会变得异常困难。
科研人员介绍,地月之间的平均距离超过38万公里,此次试验通信距离超过40万公里。
在如此遥远的距离上,激光束本身非常窄,任何微小的角度误差,经过数十万公里传输后都可能被放大成巨大的位置偏差。
更复杂的是,发射端和接收端都不是静止不动的。
卫星在轨道上运行,地球自转持续发生,望远镜自身也存在安装误差,激光在大气层传播时还会受到大气折射影响。
因此,科研团队需要同时考虑卫星轨道,设备误差,大气折射以及激光传播时间等因素,让天上的卫星和地面的望远镜在持续运动中保持精准对准。
这实际上是在40万公里之外完成一次极其精细的“光束瞄准”。
完成精准对准只是第一关。
激光经过超过40万公里的长距离传播后,抵达地面时已经变得极其微弱,接收端能够捕获的有效光子数量非常有限。
与此同时,月光,星光以及城市环境中的各种光源都会形成背景噪声。
这就好比在一个嘈杂的环境里,试图从大量杂音中辨认一个极其微弱的声音。
为了提高接收能力,科研团队使用了能够探测单个光子的超灵敏探测器,并配合信号识别算法,从复杂背景噪声中提取有效通信信号。
这一技术突破解决的是深空激光通信中的另一个核心问题——“看得见,还要听得清”。
对于深空探测而言,通信距离越远,信号衰减越明显,对接收设备灵敏度以及信号处理能力的要求也就越高。
因此,能够在地月尺度上稳定建立激光通信链路,本身就是对系统综合性能的一次考验。
距离解决了,信号收到了,接下来还要解决一个问题:能传多少数据？
此次试验初步实现上行1.25Mbps,下行100Mbps的通信速率。
其中,下行100Mbps尤其值得关注。
科研人员介绍,以一幅8K月面高清图像为例,如果采用5Mbps的传统微波链路传输,下传一幅图像大约需要4至5分钟;采用百Mbps级激光通信后,传输时间可以缩短至约12秒。
速度提升带来的意义并不仅仅是“传图片更快”。
对于未来月球探测任务而言,探测器可能需要向地面传输高清影像,科学实验数据以及大量观测信息。
数据传输效率越高,意味着同样的通信窗口内能够传回更多科学数据。
这对于提高探测任务的信息获取能力具有重要意义。
事实上,空间激光通信并不是一个全新的概念。
近年来,我国已经持续开展相关技术研究,并在近地轨道等空间环境中进行验证。
但从近地轨道走向地月空间,通信距离从数百公里,数千公里进一步扩展到数十万公里,技术难度也随之大幅增加。
因此,此次实现地月双向高速激光通信,其意义并不仅仅在于通信速率提高。
更重要的是,我国已经在更远距离上验证了激光通信系统的完整链路能力。
从精准指向到弱光探测,从信号识别到高速数据处理,多个关键环节需要同时稳定运行。
这也意味着,空间激光通信正在从实验室技术进一步向深空应用迈进。
通信是深空探测任务的基础能力之一。
探测器飞得越远,需要传输的数据越多,对通信系统的要求也越高。
未来,随着我国载人登月任务持续推进以及月球科研站等相关探索不断展开,地月之间可能形成更加频繁的人员往来,科学探测和设备运行需求。
在这样的背景下,传统通信手段与激光通信技术有望形成互补。
激光通信具有高速率,大容量等特点,能够承担更多大数据传输任务。
尤其是面对高清影像和大量科学观测数据,高速激光链路有望进一步提高地月信息交换效率。
此次试验也为未来深空通信技术发展提供了重要验证基础。
从地球望向月球,两者之间看似只隔着一片漆黑的太空。
但对于通信技术而言,这是一段超过40万公里的漫长距离。
激光束需要精准指向,微弱信号需要从噪声中被识别,大量数据还需要高速完成处理和传输。
此次地月双向高速激光通信试验,正是对这些关键难题的一次集中突破。
从“能不能连上”,到“能不能稳定传输”,再到“能不能高速传输”,地月通信能力正在不断向前推进。
当超过40万公里之外的激光链路真正建立起来,地球与月球之间也就拥有了一条全新的“信息高速路”。
未来,随着相关技术进一步成熟,这条“高速路”有望承载更多月面影像和科学数据,服务载人登月,月球科研站以及更远距离的深空探测。
对于正在走向更远宇宙空间的中国航天而言,通信能力每前进一步,都意味着人类探索未知世界的边界又向前延伸了一步。