星間激光通信技術(shù)的通信過(guò)程為：A星的光發(fā)射機(jī)將原始信息的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，調(diào)制后的光束經(jīng)由發(fā)射光路，以空間光的形式發(fā)射給B星；B星的光接收機(jī)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換回電信號(hào)，并進(jìn)行信號(hào)放大、判決和濾波等處理，恢復(fù)激光載波攜帶的原始信息。與此相比，星間微波通信的信息載體是無(wú)線電，無(wú)需進(jìn)行發(fā)射端的電光轉(zhuǎn)換和接收端的光電轉(zhuǎn)換。

百公里“穿楊”之外，不掉線面臨更大挑戰(zhàn)

在茫茫太空中，距離遙遠(yuǎn)的一顆衛(wèi)星發(fā)射的激光又如何能夠抵達(dá)另一顆衛(wèi)星的接收設(shè)備中呢？

“以行云天基物聯(lián)網(wǎng)的星座為例，兩顆星之間的距離平均為數(shù)千公里，并且會(huì)相對(duì)快速移動(dòng)。”杜利說(shuō)。想象一盞高瓦數(shù)、不發(fā)散的射燈，準(zhǔn)確地在幾百公里外，穿進(jìn)一枚銅幣的中心，這枚銅幣和射燈本身還在快速運(yùn)行中，其難度甚于“百米穿楊”千百倍。

不只如此，僅僅完成建立聯(lián)系的瞬間精準(zhǔn)還只是第一步，穩(wěn)定地在嚴(yán)苛的太空環(huán)境下保持均一、持續(xù)的聯(lián)系，不掉線也對(duì)星間激光通信設(shè)備提出了更高要求。

杜利介紹，建立星間通信鏈路并保持鏈路穩(wěn)定是一項(xiàng)最關(guān)鍵的技術(shù)。兩顆衛(wèi)星始終處于相對(duì)高速運(yùn)動(dòng)，要成功建鏈并保持穩(wěn)定需要幾大步驟，即瞄準(zhǔn)、捕獲和跟蹤。

瞄準(zhǔn)是指激光終端需要瞄著某個(gè)方向發(fā)射信標(biāo)光，以便對(duì)方能接收。為了相互瞄準(zhǔn)，A星和B星需要預(yù)先知道什么時(shí)刻開始瞄準(zhǔn)，對(duì)方在什么時(shí)刻會(huì)出現(xiàn)在哪個(gè)空間位置，光束從己方射出到達(dá)對(duì)方需要多長(zhǎng)時(shí)間，“它們約定某時(shí)刻開始工作后，雙方需基于自身姿軌控、地面遙測(cè)遙控和對(duì)方衛(wèi)星軌道預(yù)報(bào)等信息，實(shí)時(shí)計(jì)算對(duì)方星體的相對(duì)位置（相對(duì)角度），向?qū)Ψ剿巺^(qū)域發(fā)射信標(biāo)光。當(dāng)發(fā)射信標(biāo)光不足以覆蓋對(duì)方星體所處的不確定范圍時(shí)，還需使用信標(biāo)光束掃描該區(qū)域。”杜利解釋。

信標(biāo)光束猶如“信號(hào)彈”讓彼此定位，如果入射的信標(biāo)光均能進(jìn)入A星和B星激光接收機(jī)的探測(cè)視場(chǎng)內(nèi)，即實(shí)現(xiàn)了雙向捕獲。捕獲過(guò)程會(huì)包括粗調(diào)，即接收系統(tǒng)將計(jì)算光斑質(zhì)心與接收光學(xué)系統(tǒng)光軸標(biāo)志點(diǎn)的脫靶量，驅(qū)動(dòng)接收光學(xué)系統(tǒng)的粗瞄機(jī)構(gòu)作偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使入射光斑質(zhì)心向光軸標(biāo)志點(diǎn)方向運(yùn)動(dòng)。

跟蹤則可視為“細(xì)調(diào)”“矯正”。當(dāng)捕獲模式中的光斑逐步接近標(biāo)志點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)切換為跟蹤模式，利用更小的窗口不斷快速計(jì)算脫靶量，并實(shí)時(shí)反饋給跟瞄執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以使入射光斑質(zhì)心始終保持在光軸標(biāo)志點(diǎn)附近。

“星間激光通信是極遠(yuǎn)距離、極弱信號(hào)的探測(cè)，其技術(shù)難點(diǎn)來(lái)自于超遠(yuǎn)的距離、鏈路的動(dòng)態(tài)變化和復(fù)雜的空間環(huán)境。”杜利說(shuō)，由于距離超遠(yuǎn)，星間激光通信技術(shù)要求發(fā)展同時(shí)具備功率大、功耗低、線寬窄和溫度穩(wěn)定性好的激光器模塊，超高靈敏度的光電探測(cè)器，以及高速光電轉(zhuǎn)換器件。

也就是說(shuō)，要實(shí)現(xiàn)星間激光通信，硬件的高靈敏、高精確是基礎(chǔ)，而算法的迅速和準(zhǔn)確是保障，經(jīng)過(guò)軟、硬件的協(xié)同發(fā)展和磨合將逐步提高星間激光通信技術(shù)的高反應(yīng)速度和高精度，例如實(shí)現(xiàn)建鏈時(shí)間的秒量級(jí)，光束對(duì)準(zhǔn)精度在幾微弧度之內(nèi)。以上僅僅是星間的“一對(duì)一”通信，對(duì)于星間激光組網(wǎng)而言，還需考慮多路接入、路由切換和空間網(wǎng)絡(luò)交換等問題。

“對(duì)于商用激光通信星座而言，還需要考量性能和成本的協(xié)調(diào)發(fā)展，需要解決的將不僅是科學(xué)問題，還有與不同行業(yè)的匹配、兼容等問題?！倍爬硎荆情g激光通信作為一種高速數(shù)據(jù)傳輸手段，在需要快速回傳衛(wèi)星數(shù)據(jù)的場(chǎng)合，例如災(zāi)情采集、應(yīng)急通信、敵情偵察、衛(wèi)星導(dǎo)航等，激光鏈路可以提供很好的實(shí)時(shí)性；在需要傳輸大容量數(shù)據(jù)的場(chǎng)合，例如全球測(cè)繪、氣象探測(cè)等，激光鏈路可以提供很好的穩(wěn)定性。通過(guò)星間激光通信技術(shù)構(gòu)建的星間通信骨干網(wǎng)，將有望變革未來(lái)空間通信技術(shù)，為未來(lái)高速、高通量天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)奠定基礎(chǔ)。