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激光通信:空间大数据的高速公路
作者:王建宇(中国科学院院士) 发表时间:2021年07月22日

   在“上海静安国际大数据论坛”上,中国科学院院士、中国科学院上海分院院长王建宇围绕空间激光通信和深空探测中的激光通信、海洋探测中的激光通信等方向带来前沿分享。

  空间技术传统分类包括对地观测、导航定位、卫星通信、科学实验等。近年来,空间技术给人类带来了非常大的挑战,国际上已经提出要把互联网建到太空中去,这样一来,地球上任何地方,都能随时随地用到网络。

  美国SpaceX计划发射一万多颗卫星,形成空间互联网。中国对空间互联网也非常重视和支持,空间技术发展后,能实现通导遥一体化,一颗卫星兼有通信、导航、遥感的性能,这种综合性卫星提升了在“天上办事”的效率。

  目前的空间通信一般采用微波。例如以前的调幅和调频两种收音机,其中调频收音机频率较高,信息量比较大,音质就比较好。后来出现了电视,电视信息量增多,需要更高的频率去调制。到卫星之后不断发展,从微波到地面的激光通信,载波的频率越来越高,能传输的信息量也越来越大。

  空间信息怎么传送是个大问题,激光通信就有可能解决这个问题,能在传输上把频率和数据量提高上去。空间激光通信是解决未来空间高速数据传输的重要手段,已经成为国际上的共识及趋势。

  光通信特点是高带宽容量,重量轻、体积小,而且激光通信不受电磁频谱限制,占用的资源非常少。光通信载波频率可以比一般的微波高出三个数量级,重量轻、体积小,而且光打到的地方才能接收到,保密性强。

  国际上光通信的网络非常多,专门的光通信网络包括侦察卫星、多媒体卫星、小卫星、导航定位卫星等。由于光通信“怕云怕下雨”,所以往往对地还是采用微波。在空间中,可以全部采用激光的连接。从1995年开始,国际上就开始研究光通信,中国在这个领域也紧跟脚步。

  欧洲和日本最早在光通信领域取得了成功。2013年,美国在月球上利用激光通信将一段视频从月球传到了地球,这段视频的激光发射终端口径只有10厘米,传输速率达到了622M。

  中国也非常重视激光通信的发展。2011年,我国海洋二号搭载演示;2016年,量子卫星“墨子号”载人航天中搭载了激光通信,特别是第二代相干激光通信,速率已经能提高到5Mb/s。第二代相干激光通信将激光中的相位信息利用起来,通过激光相互干涉传递信息,灵敏度提高了很多。

  近来我国对空间近地组网的计划非常多,“科技创新2030”重大项目采用激光通信的手段,计划在2022年示范验证。值得关注的是,激光通信的商业价值已经被看到,有专业的企业正在研究天上能否进行商业化数据传送。

  中科深链正准备用商业化的方法,研发出几颗高轨的卫星并作为基站,然后将月球作为一个基点连接数据,再通过一些小卫星作为低轨的空间中转,建立起一个GEO以中继载荷为中心,配备深空、高轨和低轨小卫星构建天地中继激光的通信网络,结合自有的地面运管和商业化运行,为空间数据传输提供服务。

  这套系统具备全天候、全天时,双向高速数据通信、无需频谱资源审批、抗干扰能力强,还能实现商业化的开放服务,按需使用。通过自有地面运管中心进行商业化运营,提供从空间通信载荷、数据中继等完整商业化数据中继通信解决方案与服务。

  深空探测中的激光通信

  月地距离约40万公里,如果用传统的强度调制,需要500瓦的激光,卫星的能源系统无法支撑,所以不具备可行性——即便使用相干探测第二代也是有困难的。

  因此,最新的技术基于光子探测的激光通信,能将原来的灵敏度提高两到三个数量级。不过研究当中有一定的难点。比如怎么将信号调到单光子中去,还有探测在深空当中怎么对准等,这些技术还在探索中。

  我们要有新的容错技术,能够达到日常通信所需要的容错率,就是让误码率减少到10的负8到负9次方左右。像这种情况下,如果在光子上不加特别的编码,它的误码率是非常非常高的,加了以后可靠度马上就提高了。

  它要探测一个个光子,而且有些光子是同时到来的,要将它们区分开。有一种探测器叫超导纳米线探测器,我们先把探测器温度放在没有电阻的地方,这个时候一个光子上去,足够把探测器的温度从超导点以下变到超导点以上,这样电阻变得很大,就会出来一个脉冲。

  对比一下,例如月球,与地球的通信距离是40万公里,如果用光子的方法大概能达到2G,发射口径只要20毫米两瓦。哪怕是到火星的通信,距离地球两亿公里,大概能达到4Mb/s的速率,发射功率也就10~20瓦。

  如果用最快的微波X波段对比,大概能传250K,要求卫星上的口径是1米,地面口径要30米才能做到。

  海洋探测中的激光通信

  水下激光通信包括水下与水面通信、水下与空中通信、水下与太空通信。水下通信采用声呐技术,但是声呐通信速率低,保密性差。因此也想用激光通信,但是水下用光通信存在困难。通过研究发现,在蓝绿光这个波段有可能实现。

  理论上来说,水下通信容量可达到10G,但是水对光的吸收较大,蓝绿光波段穿过的海洋在大洋深处约200米,近岸约50米,水越干净能通信的距离越远。

  英国研发的系统传输速率约12.5M,通信距离约150米。但是要注意的是,12.5M并不是在150米距离时完成的,可能10米的时候能达到,但是在150米的时候大概只有几M。

  我们研究跨介质的蓝绿激光通信,并且在深度1120米水下做了实验,已经能够达到3.2K,这个数据看起来低,但是综合性能已经优于国际上公开报道的系统。

  目前正在研发的是将量子方法运用到海中,这一进展较为良好,国际上报道最远的是200米、10Mb/s,而我们能够做到500米,通信速率不低于1Mb/s。(未经报告人审核)

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