从月球传照片,4分钟缩短到12秒!中国速度如何实现
过去,从月从月球轨道传回一张8K超高清全景月球照片,球传地面人员要等上四五分钟。照片中国如今,分钟同样的缩短速度照片只需12秒左右就能传完。带来这一变化的到秒,正是何实我国近日完成的地月双向高速激光通信试验。该试验在40万公里的从月地月距离间建立起稳定、高速的球传激光链路,相当于在地球与月球之间搭起一条“信息高速公路”。照片中国
地月激光通信有什么优势?分钟实现地月双向激光通信要克服哪些技术难题?后续会带来哪些改变?围绕这些问题,9月1日,缩短速度科技日报记者采访了相关专家。到秒
第一问:地月激光通信优势在哪?何实
传统射频通信依赖无线电波,而激光通信利用光波传输,从月原理上更接近光纤宽带。激光通信最大的好处是带宽大、速度快。在卫星上装的设备,体积、重量、耗电都差不多的情况下,激光通信的速率可以比传统微波通信快10到100倍。
“射频好比一条普通公路,车道有限,车流容易饱和;激光则像一条多车道高速公路,同样的时间内能传输的数据量大得多。”中国科学院空间应用工程与技术中心研究员杨雷解释,在地月距离下,传统射频通信传输高清视频或海量科学数据非常吃力,而激光通信可以轻松胜任。
激光通信另一个好处是不容易泄密。激光光束特别集中,不像无线电波那样向四周“广播”,能量不会到处乱跑,别人很难半路截获到信号。“激光就像一束手电筒光,照哪儿就是哪儿,微波更像是大喇叭广播,范围大,但谁都能听见。”杨雷形象地比喻道。
第二问:40万公里双向激光通信需攻克哪些难题?
40万公里,相当于绕地球赤道10圈,光从月球到地球单程也要1秒多。在这么远的距离上做双向激光通信,要跨过信号弱、瞄准难、传输慢三道坎。
激光束虽然方向集中,但跑了40万公里还是会散开不少,到地面望远镜时可能只剩发射时的一丁点儿,变得非常弱。地面接收端必须用上高灵敏度的探测器,才能从背景噪声里把微弱的光子“认”出来。“为此,我们做了超导纳米线单光子探测器阵列。它就像一个能抓住光子的超灵敏‘眼睛’,本身杂音特别少,反应还极快。再配上自己研发的信号处理算法,就算信号弱得都快被噪声‘淹没’了,也能硬生生从一大堆干扰里把它给‘捞’出来。”杨雷说。
同时,激光光束非常窄,而地球和月球都在不停运动,卫星平台自身也有微小振动。地面站和卫星必须一直精确对准,稍微偏一点,链路就可能断掉。杨雷打了个比方:“这相当于从北京用一束激光照准月球上一个移动的小点,还要一直锁定。”
为解决这一难题,研究团队想了几个办法:一是把卫星的轨道算准,提前预报位置,这样两边的望远镜就知道该往哪儿指,不会找不着目标;二是地面站把好几束激光合成一束发出去,再根据温度、仰角这些变化实时修正方向,保证稳稳打到卫星上;三是收发两头都做了很强的光学隔离,免得自己发出的强激光把探测器“闪瞎”,这样同时收发光信号也不会互相干扰。
信号收到了,传输速度也得跟上。难点是这些光子不是规规矩矩排着队来的,而是稀稀拉拉、断断续续的,要把它们凑成完整的信息,时间上就得对得特别准,准到皮秒级别。皮秒是什么概念?一万亿分之一秒,比你眨一下眼的时间还要短不知道多少倍。团队专门研发了皮秒级的时间识别和大带宽通信处理技术,相当于给每个光子都配了个超级精准的“时间戳”,让它们能严丝合缝地拼到一起,不会乱套。
第三问:该技术如何助力未来探月与深空任务?
“未来,我们要构建国际月球科研站,在上面开展各种科学实验(试验)。这些科学实验(试验)会产生海量的数据,数据怎么样能够传输回地球,一直是制约科研进展的通信瓶颈。这项技术突破对打破瓶颈具有非常重要的意义。”中国科学院空间应用工程与技术中心副主任王强说。
更重要的是,地月距离只是起点。杨雷表示,此次验证的高精度跟踪、弱信号探测和高速单光子信号处理等技术,可进一步延伸至火星、小行星乃至更远的深空任务,将有力支撑我国深空探测取得更多的原创性科学成果。
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