從電波到鐳射 星間訊號傳輸模式這樣變
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在電波時代，衛星之間的通訊訊號發射猶如“小李飛刀”，不斷丟出訊號包，刀刀命中，但資料量的傳輸體量有所限制。隨著人們通訊需求的增加，很可能出現“擁堵”的情況，就如同一筐“飛刀”有發射需求，“小李”武功再高也很難通過傳統模式完成。
星間鐳射通訊給出瞭解決之道，它猶如動感超人發射的“動感光波”，速度極快能量更大。那麼星間鐳射通訊為什麼能夠滿足更大的需求？具體是一個什麼樣的通訊過程呢？實現星間鐳射通訊的難點又在哪裡？
又快又“過載”，鐳射傳輸好處數不勝數
隨著衛星通訊傳輸資料需求的增加，傳輸資料量劇增，傳統的微波通訊受到傳輸容量的限制，成為星間通訊“瓶頸”。杜利認為，現代的衛星通訊在準確的基礎上，需要量大、實時、傳輸距離遠，這要求衛星通訊具有更高的傳輸資料率。
既然傳統模式難以完成，那麼什麼載體更能擔大任呢？人們想到了“光”，鐳射將以接近光速的速度傳遞資訊，完成實時、快速的要求。
星間鐳射通訊所利用的鐳射比微波頻率高3—4個數量級。頻率越高意味著它在同樣的時間裡變化越大，就如同一個彈簧的“壓縮”，能夠“壓入”更大量的資料，實現對資料的“過載”。
選擇鐳射作為載體，人們還得到了很多其他的便利。杜利解釋：星間鐳射通訊無需頻率申請許可，而傳統的無線電波頻段是戰略資源，目前國際電聯嚴格管控星載微波頻段，很難申請大容量資料頻寬，我國使用者申請頻率許可更是難上加難。鐳射通訊意味著繞開了“管制空路”，獲得了更廣闊的便利空間。
此外，星間鐳射通訊具有比微波更窄的波束，訊號覆蓋範圍很小，因而具有很好的抗干擾和抗截獲能力。猶如利劍直插，難以被阻擋或化解。
在對基礎裝置的功耗方面，鐳射通訊也更顯“友好”。杜利解釋，星間鐳射通訊的能量聚集度很高，當鏈路所需資料率在Gbps以上時，星間鐳射通訊在終端體積、重量和功耗方面具有明顯優勢，從而降低了對衛星平臺的要求。
邊跑邊接，多一道“轉換”手續
“無論是星間鐳射通訊，還是星間微波通訊，其目標均是實現兩個或多個處於相對高速運動的通訊裝置之間的實時通訊。”杜利說，需要解決的根本問題包括兩個，一是如何通訊，二是如何建立通訊鏈路並始終維持穩定的連結。
從本質上講，星間鐳射通訊和星間微波通訊都屬於電磁波通訊，兩者的系統組成是基本相同的，均包括信源、傳送裝置、通道、接收裝置、信宿五個部分。
一條資訊在天上的“星座”中完成傳輸的路徑是這樣的：信源產生資訊，將待傳輸的各種資訊（文字、圖片、語音、視訊等）轉換為原始電訊號，稱為訊息訊號，訊號產生後會變換為適合在通道中搬移的型別，進入通道，在自由空間裡“奔跑”，隨後由接收裝置接受，從帶有干擾的接收訊號中正確恢復出相應的原始訊號，“挑揀出”正確訊號，會留下到傳輸資訊的“歸宿地”，復原的原始訊號轉換成相應的資訊。
星間鐳射通訊與星間微波通訊不同的是：前者的資訊載體是光。“但由於器件所限，訊號不能以全光形式傳送和接收，需要在傳送端將待傳輸的電訊號轉換為光訊號，在接收端將光訊號轉換為電訊號才能正確復原原始資訊。”杜利解釋，也就是說要有一道“轉換”手續，相應地有一道“轉回”手續。
星間鐳射通訊技術的通訊過程為：A星的光發射機將原始資訊的電訊號轉換為光訊號，調製後的光束經由發射光路，以空間光的形式發射給B星；B星的光接收機將光訊號轉換回電訊號，並進行訊號放大、判決和濾波等處理，恢復鐳射載波攜帶的原始資訊。與此相比，星間微波通訊的資訊載體是無線電，無需進行發射端的電光轉換和接收端的光電轉換。
百公里“穿楊”之外，不掉線面臨更大挑戰
在茫茫太空中，距離遙遠的一顆衛星發射的鐳射又如何能夠抵達另一顆衛星的接收裝置中呢？
“以行雲天基物聯網的星座為例，兩顆星之間的距離平均為數千公里，並且會相對快速移動。”杜利說。想象一盞高瓦數、不發散的射燈，準確地在幾百公里外，穿進一枚銅幣的中心，這枚銅幣和射燈本身還在快速執行中，其難度甚於“百米穿楊”千百倍。
不只如此，僅僅完成建立聯絡的瞬間精準還只是第一步，穩定地在嚴苛的太空環境下保持均一、持續的聯絡，不掉線也對星間鐳射通訊裝置提出了更高要求。
杜利介紹，建立星間通訊鏈路並保持鏈路穩定是一項最關鍵的技術。兩顆衛星始終處於相對高速運動，要成功建鏈並保持穩定需要幾大步驟，即瞄準、捕獲和跟蹤。
瞄準是指鐳射終端需要瞄著某個方向發射信標光，以便對方能接收。為了相互瞄準，A星和B星需要預先知道什麼時刻開始瞄準，對方在什麼時刻會出現在哪個空間位置，光束從己方射出到達對方需要多長時間，“它們約定某時刻開始工作後，雙方需基於自身姿軌控、地面遙測遙控和對方衛星軌道預報等資訊，實時計算對方星體的相對位置（相對角度），向對方所處區域發射信標光。當發射信標光不足以覆蓋對方星體所處的不確定範圍時，還需使用信標光束掃描該區域。”杜利解釋。
信標光束猶如“訊號彈”讓彼此定位，如果入射的信標光均能進入A星和B星鐳射接收機的探測視場內，即實現了雙向捕獲。捕獲過程會包括粗調，即接收系統將計算光斑質心與接收光學系統光軸標誌點的脫靶量，驅動接收光學系統的粗瞄機構作偏轉運動，使入射光斑質心向光軸標誌點方向運動。
跟蹤則可視為“細調”“矯正”。當捕獲模式中的光斑逐步接近標誌點時，系統切換為跟蹤模式，利用更小的視窗不斷快速計算脫靶量，並實時反饋給跟瞄執行機構，以使入射光斑質心始終保持在光軸標誌點附近。
“星間鐳射通訊是極遠距離、極弱訊號的探測，其技術難點來自於超遠的距離、鏈路的動態變化和複雜的空間環境。”杜利說，由於距離超遠，星間鐳射通訊技術要求發展同時具備功率大、功耗低、線寬窄和溫度穩定性好的鐳射器模組，超高靈敏度的光電探測器，以及高速光電轉換器件。
也就是說，要實現星間鐳射通訊，硬體的高靈敏、高精確是基礎，而演算法的迅速和準確是保障，經過軟、硬體的協同發展和磨合將逐步提高星間鐳射通訊技術的高反應速度和高精度，例如實現建鏈時間的秒量級，光束對準精度在幾微弧度之內。以上僅僅是星間的“一對一”通訊，對於星間鐳射組網而言，還需考慮多路接入、路由切換和空間網路交換等問題。
“對於商用鐳射通訊星座而言，還需要考量效能和成本的協調發展，需要解決的將不僅是科學問題，還有與不同行業的匹配、相容等問題。”杜利表示，星間鐳射通訊作為一種高速資料傳輸手段，在需要快速回傳衛星資料的場合，例如災情采集、應急通訊、敵情偵察、衛星導航等，鐳射鏈路可以提供很好的實時性；在需要傳輸大容量資料的場合，例如全球測繪、氣象探測等，鐳射鏈路可以提供很好的穩定性。通過星間鐳射通訊技術構建的星間通訊骨幹網，將有望變革未來空間通訊技術，為未來高速、高通量天地一體化通訊網路的建設奠定基礎。（記者 張佳星）