遨游宇宙如何沟通？解读神秘的太空通信

人类对于未知事物总是充满好奇，而在众多的未知事物之中，宇宙（或者说是外太空）无疑是最为神秘的，因此人类对于宇宙的探索从未停歇，并将其视为科学研究的终极目标之一。

随着科学技术的进步，今天我们已经可以借助多种方式探索宇宙的奥秘，包括望远镜、宇宙飞船（航天器）、卫星、空间站等等。特别是随着航天器的出现，更成为了我们探索宇宙的利器——人类遨游宇宙已经不再是梦想（此时可回忆一下《星际迷航》等宇宙题材类电影中的景象）。那么现在问题来了，这些航天器（包括卫星、空间站等）是如何与地球保持通信的呢？语音、数据、甚至是视频图像又是如何进行传输的呢？如果你想知道答案的话，下面有关太空通信的精彩内容你绝对不能错过！

首先让我们来回顾一个激动人心的历史瞬间——1957年由苏联制造的第一颗人造卫星发射成功，该卫星就内置了一台无线电发报机，其从太空不断地向地面接收站发送“滴滴”的信号。因此无线电通信就成了最早的太空通信方式，并且已经沿用至今，例如我们的通信卫星。

而随着人类探索宇宙步伐的加快，卫星已经不只停留在近地轨道，而是已经开始不断向外拓展（例如绕月轨道）；与此同时，航天器已经完成月球、火星等探索，并在向更远的深空不断前行。此时，太空通信已不仅仅是简单的卫星与地面的通信（称为星地通信），还包括卫星（航天器）之间的通信，以及借助中继卫星实现的星地通信等。

其实早期的深空探测器并不是借助中继卫星与地面通信的，而是采用最为直接的星地通信方式，例如美航天局1977年所发射探测器——旅行者一号。

如上图所示，旅行者一号配备了一个巨大的“锅”式天线，其直径达3.7米，然后与地球上直径高达37米的接收天线（也是“锅”）进行通信，然而这种通信方式只能待两个天线对准时才能通信，通信效率可想而知，因此为了提升通信效率，中继卫星应运而生。

最早投入应用的中继卫星就是美国部署在木星轨道上的奥德赛卫星，其作用是将火星探测车的数据传回地球。而如今，在地球轨道之上，也有着众多的中继卫星，比如美国的TDRS，中国的天链，日本的DRTS等等，它们已经成为了星地通信之间的高效沟通“桥梁”。

而无论是星地通信（包括中继），还是卫星（航天器）间通信，均是借助无线电通信技术来实现的，但无线电通信技术有着自身的缺陷，首先是根据轨道（距离）的不同，存在多种通信波段（包括L、S、C、K、Ku、Ka等），而相同波段间的干扰，就会影响通信质量；其次，目前深空探测主要手段就是提升天线增益、提高通信频率、降低噪声，而想要提升天线增益，要么加大天线面积，要么增加天线数量，但都会加大航天器本身的负担；当然，最为重要的是，视频沟通必将成为太空通信的新趋势，而无线电通信的带宽（数据传输速度）难以满足这一要求，因此激光通信成为了新的焦点。

激光通信：被视为“太空宽带”

什么是激光通信？其实激光本质上也是一种电磁波，其基本通信原理与无线电通信原理相似，即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，因此也可以称之为空间光通信。

刚刚我们已经谈到了无线电通信在太空通信应用中的不足之处，而激光通信则可以很好地解决这些问题。首先，其开辟了全新的通信频道使调制带宽可以显著增加，即提升通信带宽和数据传输速度，因此其被视为“太空宽带”；其次，其能将光功率集中在非常窄的光束之中，这使得相关器件的尺寸、重量和功耗都将明显降低，而低功耗也更适用与中继卫星（传统中继卫星难以满足远距离、高功率无线电通信传输需求）；第三，各通信链路间的电磁干扰小，通信质量更高；第四，激光本身具备出色的保密性，可有效防止窃听。

其实激光通信已在我们的生活中得到广泛的应用，比如家中的光纤宽带网络等，但要说到将激光通信真正应用于太空通信之中，还是最近几年的事情。例如，2008年3月间，美国NFIRE卫星与德国TerraSAR-X卫星使用激光终端成功进行了太空宽带数据传输，两颗卫星在距离5000公里宇宙空间建立了光学链接，并以5.5Gbps的数据传输速度完美地实现了双向操作，这一数据传输速度相当于每小时传输20万张A4文件或400张DVD。

随后，美国国家航空航天局（NASA）又利用激光通信将“蒙娜丽莎”送上月球，而为了将名画《蒙娜丽莎的微笑》传输到绕月飞行的“月球勘测轨道飞行器”上，NASA先将这幅名画进行数字编码，并分解为152×200个像素，然后将每个像素都变为激光脉冲，从地面基站传输给38万公里外的“月球勘测轨道飞行器”上，这次传输的速度约为300比特每秒。

而在2012年10月，俄罗斯的国际空间站也首次利用激光通信将电子数据传送到地面接收站——其传输的数据量为2.8GB，传输速度达到了1000Mbps。

当然，近期最受关注的事件当属2014年6月NASA展示的激光通信技术在实际应用中取得的突破性进展——从国际空间站成功向地面发送了一个37秒的，名为“你好，世界！”的高清视频，用时仅3.5秒，传输速度比传统的无线电通信快10到1000倍。

我国的太空通信：起步晚 发展快

作为一种可能从根本上改变太空通信的技术，激光通信早在上个世纪就吸引了不少航天航空大国的高度关注。其中最早行动的是美国，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；随后进入80年代，日本和欧洲空间局也开始了空间光通信的相关研究。相比之下，我国的空间光通信研究起步较晚，但发展速度却非常喜人，目前与国外的先进水平差距并不大。

在2012年3月，我国的“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，并取得了圆满成功——将卫星和地面用激光链接起来，真正形成了宇宙空间与地面之间的信息高速公路。而据了解，此次试验的难点在于高速运动中的卫星与光通信地面站，在近2000公里距离的情况下要实现精度远高于“针尖对麦芒”的动态光束双向锁定跟踪，而我们最终顺利地突破了这一难点，为实验成功打下了坚实的基础。

我国还是继美国之后第二个完成太空授课的国家。2013年06月20日上午10时，神舟十号航天员在天宫一号开展基础物理实验，即太空授课，此次课程持续了45分钟，内容为展示并讲解太空中的失重现象等。

值得一提的是，以往的载人航天任务受带宽限制，航天员在太空中只能听到声音却无法看到地面的高清画面，而此次太空授课是通过天链卫星进行数据“中转”传送，实现了双向实时授课画面，以及天地之间的视频提问和回答。

突破：我国星地量子通信研发成功可兼容激光通信

虽然目前激光通信仍处于试验阶段，但我国已经将目光瞄向了太空通信更遥远的未来，即量子通信。量子通信因其超光速、远距离的传输特性，以及绝对保密（安全）的优势，同样引起了航空航天大国的高度关注，其中中国在这一技术领域的研究可谓相当积极。

特别是在技术研究方面，目前我国中科院的研究人员已经将自动交换光网络（ASON）引入量子通信网络之中，并研发出了一种兼容激光通信的“星地量子通信系统”，该系统的最大创新就是可以使用一套光学收发系统和跟踪瞄准系统，实现在星地之间同时进行量子通信和激光通信。与此同时，我国还利用平流层平台进行了自由空间量子通信的研究，实现了光信号长距离超光速的传输，并均已申请专利。

激光通信：仍需突破“瓶颈”

激光通信技术虽好，但目前仍处于试验/试用阶段，还有不少瓶颈需要突破：

第一，大气对激光通信信号有吸收和散射的作用，同时大气湍流还会严重地影响信号的接收；此外，虽然激光通信不会像无线电通信一样受到电磁干扰，但存在于大气中的与激光波长相近的粒子（例如气体分子、水雾、霾等）则会引起光的吸收和散射，从而影响光波的传输质量，而在遇到强大的气湍流时，这种影响更加明显。相信细心的朋友已经发现，在此前我们介绍各航空航天大国的试验中，卫星（航天器）间的数据传输速度要明显高于星地间的数据传输速度，这主要就是因为大气的影响。

还好，目前很多国家为克服激光通信在星地传输时易受到大气影响的缺点而不懈努力着，并已经取得阶段性成果，即将载有通信信息的激光束沿着直径小于0.1毫米的优质光学纤维波导传输，可减少大气的影响。

第二，激光发射机与接收机之间的瞄准仍是难题。在前文中我们已经谈到，要利用激光通信完成远距离卫星间或星地间的发射与接收，就必须进行远距离卫星间（或飞行器间）、卫星与地面站之间的捕获与跟踪，既依赖于激光通信系统，又取决于光学跟瞄系统。虽然目前包括我国在内的几个国家已经实现了星地之间的动态光束双向锁定跟踪，但同时移动的卫星间的锁定与跟踪则仍需取得突破。

第三，激光发射和接收天线的效率会对传输质量产生影响，出于获取最小光斑的目的，发射天线的设计要接近衍射极限，这就给接收天线精确对准带来了挑战，理论上接收天线直径越大接收效果越好，效率越高，但这又会带来卫星（飞行器）体积和重量的增加，如何取得两者的平衡很重要。而取得突破的关键则是要借助创新技术提高接收天线的灵敏度。

第四，超远距离传输也存在隐忧（信号衰弱和时延），想要实现更多、更远的深空探索，仍需突破距离瓶颈。

激光通信为我们勾勒美好未来

虽然现阶段星地、卫星间仍以无线电通信为主流，但通过我们的介绍不难看出，激光通信已经为我们勾勒出了美好的太空通信未来——按照NASA的设想，借助激光通信技术建立太空通信系统，以实现“太空—地球”的远距、大数据通信。届时，我们不仅可以实时与月球视频通信，甚至可以与木星或是更遥远的星球进行实时视频通信。

而激光通信技术将不仅仅应用于太空，作为星地间数据传输的关键技术，其将实现与地面光纤网络的互补，从而建立起立体交叉光网，在外太空卫星和大气层内外形成高带宽通信网，从而彻底颠覆目前全球通信系统（海底光缆+卫星与地面间的无线电通讯），打造可满足物联网时代需求的大带宽网络（激光通信的速度可达2-10Gbps）。

今天，联接已经成为现代社会之中最基本的生活要素，就像空气和水一样无处不在，一个全联接的地球正在形成。而随着以激光通信、量子通信为代表的新一代太空通信技术的出现，我们相信，今天如电影《星际迷航》中的夸张特效景象，在不久的将来极有可能成为现实（至少跨星球的视频通信将不再是梦）！