激光通信奠基“太空宽带”

　　太空宽带时代就要到来了吗？不久前，美国航天局宣布，该机构利用激光束把一段高清视频从国际空间站传送回地面，成功完成一种可能根本性改变未来太空通信的技术演示。

　　太空传回高清视频

　　这一通信试验名为“激光通信科学光学载荷”(OPALS)。据美国航天局发布的消息称，在技术演示中，一段时长37秒、名为“你好，世界！”的高清视频，只用了3.5秒就成功传回，相当于传输速率达到每秒50兆，而用传统技术下载至少需要10分钟。

　　OPALS利用极为细小的激光束传输数据，速率可比现有基于无线电波的通信方式提高10倍到1000倍。“这就好比从拨号上网升级到了宽带上网。”负责这一项目的工程师波格丹·瓦伊德如是类比道。

　　此次试验的一大挑战是“极度精确地”锁定位于美国加州小镇赖特伍德的地面站。美国航天局表示，由于空间站距地面400公里，运行时速高，这一任务“好似在9米开外，于行走中始终用激光指针瞄准某根头发的末梢”。

　　在技术演示中，地面站首先瞄准空间站发送一个激光光标，然后被空间站上的OPALS系统锁定，继而开始传输视频，整个测试进行了148秒。

　　“看到华丽的光束从空间站上的微小载荷传输而来，真是难以置信。”

　　OPALS项目经理马特·亚伯拉罕森在一份声明中说，“我们期待未来几个月继续OPALS试验，希望我们的工作能为未来的深空探索任务带来光通信能力。”

　　各国竞逐相关研究

　　利用激光束作为载体，将数据信号调制到光载波上进行传输，这就是空间光通信，也称激光无线通信或无线光通信。它包括了深空、同步轨道、低轨道、中轨道卫星间的光通信，也包括地面站的光通信。

　　美国此次就是用极为细小的激光束来传输数据。相较于传统的以电波为载波的电波通讯，因为光波的频率是常规电波的数千倍，所以即使此次国际空间站到地面距离达到了400公里，也仅耗时短短3.5秒。

　　太空空间光通信被喻为太空宽带，是一种可能从根本上改变太空通信的技术。有专家指出，它的优势第一是通信容量大、速率高。激光的频率比微波射频高3至4个数量级，作为通信的载波，具有更大的可用频带。第二是它的功耗小。第三是激光通信的设备体积小、重量轻，尤其适用于卫星通信。第四是保密性好，可有效防止窃听并提高抗干扰能力。

　　正是由于其众多优势，不少航空航天大国纷纷开展相关研究。美国早在上世纪60年代中期就开始实施空间光通信方面的研究计划，著名的喷气推进实验室、林肯实验室、贝尔实验室等都加入其中。日本和欧洲空间局在80年代也开始了空间光通信研究。

　　我国相关研究起步较晚，但进展迅速，与国外先进水平差距并不大。目前我国开展相关研究的机构主要有哈尔滨工业大学、电子科技大学、清华大学、北京大学等。在2012年3月，我国“海洋二号”卫星第一次搭载进行了中国首次星地激光通信实验并取得圆满成功，将卫星和地面用激光链接起来，形成空间的信息高速公路。

　　地面应用受制约虽然空间光通信在太空中可以畅通无阻，但在日常生活中却并不常见。我国光通信与光网络专家、华中科技大学刘德明教授解释，这是因为太空中没有空气，近乎真空状态，导致光在太空中几乎不衰减，传输距离可以达到几千公里甚至几万公里。但在地面，无线通信的信号通道是大气空间，而光的大气衰减很大，且受环境影响极为严重，所以地面上的应用受到很大制约。

　　刘德明进一步介绍：“例如，在晴朗天气里，光的传输距离可以达到数十公里，而在雾霾天气，光的传输距离大概只有几米。另外，大气空间对于空间光通信的信号传输性能也有很大影响，致使数据传输速率只能达到几十到几百兆比特，无法与光纤通信相比。在一些无法铺设通信光缆的特殊应用场合，例如海岛之间的通信、城市大楼之间的通信、野外应急通信等，空间光通信倒是可以起到光纤通信所无法替代的作用。”

　　变革人类通信系统

　　从世界航空航天大国对空间光通信技术的研究与成果来看，此次空间站和地面成功传输高清视频说明了“太空宽带”在不断接近实用化。虽然最开始的空间光通信基本都是用于军事目的，但从发展趋势来看，它具有巨大的民用市场。有专家预测，未来很有可能形成立体交叉光网，在外太空卫星和大气层内外形成高容量通信网，与地面的光纤网络相链接，足以颠覆目前人类的通信系统。

　　成都信息工程学院教授王天宝指出，美国航空航天局的目标是利用空间光通信技术，开发建立激光太空通信系统，以实现“太空—地球”的远距、大数据通信。一旦建立激光太空互联网，人类或将开启至月球的快速可靠的数据连接网络，甚至还可以连接至火星和更遥远的星球。假如将来有在太空生活的人们，就可以利用激光太空通信系统与地球人进行高清视频聊天。

　　光纤通信网络已经给我们的生活带来了极大改变。试想一下空间光通信会给人们带来何种互联网体验。2002年哈尔滨工业大学和美国OA公司建立了全面战略合作伙伴关系，将大气中的自由空间激光通信产品投入生产。美国航空航天局早在1999年就已将星对地激光通信技术民用化，开发出5000米以内的商业化FSO激光通信链产品。空间光通信将改变目前光纤通信材料和工程费用高的状况，并能克服河流、湖泊、立交桥等阻碍光纤铺设的问题，或者根本就不用耗时耗资铺设光纤。它将改变平面型通讯网络的局面，实现电信网、广播电视网和互联网的“三网合一”目标，组建三维通信网络。（据新华社、光明日报）