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中国成功完成星地高速激光通信实验 秒速达5GB

Bridgesat系统演示

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通过有线通信的代表——光纤与无线通信的代表——微波的对比,我们可以看出二者各有自己的优缺点。光纤受制于媒体自身的特性,它要求信号与信道的匹配,是路的概念;而无线通信它凭借的是信号自身的特性,是一种场的概念。这是它们的外观上最基本的差别。随着经济的高速发展,对传输介质的研究也越来越深刻。光纤可以高速、准确的传输信号,而且质量轻、易搭建、造价低,但是正是由于它的这些优点,它也有很大的缺点,那就是不一定能满足构建要求。例如当通信线路要通过某些建筑物、山体、施工挖掘、电缆铺设等工程时,只能绕行,这样既费时又费力,所以,光纤需要自由空间来施展自己的才能。而无线通信就掩盖了这个缺点,它通过选择不同的波来作为载体,可以通过不同的障碍物而自由传输。可是,卫星通信也有很大的缺点。它不是靠实在的介质来传输信号,这样就会有可能产生误差。例如在微波通信中,有时一个天线发射出的信号也会分成几条略有差异的路径到达天线,因而造成失真;在传输过程中,也会相对有线传输受到更大的天气等环境因素的干扰。

图片 2 低仰角过境时的通信速率5.12Gbps时的通信距离和误码率

作为波音公司新技术投资的重要渠道,Horizonx 重点关注航空航天、制造和通信领域的新创项目。目前已经投资的项目有专注于金属增材制造的 Digital Alloys、开发自主飞行控制系统的 Near Earth Autonomy 和制造混合动力飞机的 Zunum Aero 等等。

  信息“高速路”如何铺设

按照目前对传输介质的研究水平来看,光纤不论是在民用或是军事上都有极大的应用前景。

  此次试验是世界首次1550nm波段相干激光通信在轨试验。激光通信是一种利用激光传输信息的通信方式。相干激光通信技术具有接收灵敏度高、可全天时工作等特点,是未来空间高速通信组网的重要手段,可克服高分辨率成像卫星等数据传输有限的瓶颈,特别适用于空间超远距离(数万公里)卫星间的高速激光通信。

也正因此,包括美国在内的航天强国都在倾力发展这一技术。例如,NASA 就曾经开展过“激光通信演示系统”(OCD)、“转型卫星通信系统”(TSAT)、“月球激光通信演示验证”(LLCD)等项目,验证了激光用于空间通信的可行性和可靠性。

  空间激光通信的出现,有效解决了无线电通信保密性差、抗干扰能力弱等军事应用短板,或将开启未来空间军事应用数据传输的新时代。同时,空间激光通信在民用领域也将大有可为,美国国内已有数家商业公司投入巨资开展空间激光通信网络研究及建设,将进一步推动空间激光通信的实用化进程。

光纤有四大显著优点:一、带宽大,容量大。现在,光纤已基本实现工程实用化,不仅能满足电话、数据、文字、图像等综合业务信息的传输需求,而且也适应将来信息化社会的发展。比起其它有线传输方式来说,光纤是目前性能最良好的传输介质,通过频分,时分和波分复用,它将会越来越多的应用在日常生活中。二、损耗小,中继距离长。光纤传输损耗不会随频率和温度改变而改变,所以光纤的安装不需要严格的稳定;而其中继距离长的性能,就可使其应用于海底光缆通信和国防长途通信,这对解决海底通信有着重要的意义。三、抗干扰性好。光纤是绝缘材料,只能导光而不能导电,所以光纤不受电磁干扰,因此,其既可以防止电磁波辐射而受到窃听,又可以防止外部干扰信号的影响,这对提高现代通信的安全性和保密性有极重要的作用。四、体积小,质量轻。由于光纤可进行复用,容量又大,只需要极小极细的光纤就可以传输大量信号,也就降低了运输和搭建等成本。

  星地高速相干激光通信实验载荷由上海光机所牵头负责,上海微小卫星研究中心、上海技术物理研究所、光电技术研究所等研制单位合作。该载荷采用相干激光通信体制,最高通信速率达到5.12Gbps,同时具备多速率切换,数据、图片和视频等多业务传输的能力,用以验证相干激光通信技术用于星间和星地链路的可行性,为组网应用奠定基础。

原标题:话宇专栏丨波音太空激光通信布局新进展,领投BridgeSat 1000万美元融资

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  激光通信具有通信速率高、保密性强等优点,是未来空间宽带骨干网的首选。其中相干激光通信技术具有十 Gbps 量级通信速率、接收灵敏度高、可全天时工作等技术优点,是未来空间高速通信组网的重要手段,成为国内外数据中继、宽带通信组网的主流方案。欧美都在着手开展相关研究,目前欧空局的欧洲数据中继计划已经采用了相干激光通信技术实现了1.8Gbps 在轨应用,美国激光中继计划实现了2.88Gbps 演示验证。

今年 3 月,Bridgesat 公司宣布与 NASA 达成一项协议,或可为未来空间任务中使用基于激光的商业通信系统开辟道路。该协议要求在今年年底前完成地面站演示,并在明年 5 月完成在轨试验。同时,BridgeSat 公司还为 ICEYE 商用卫星雷达星座提供激光终端和数据服务。

  监制:光明网科普事业部

与有线通信相对的就是无限通信,包括无线电波通信,红外通信和微波通信三种。由于它们都是沿直线传播的,都需要在发送方面和接受方面有一条视线通路,所以也称它们为视线媒体。无线电波具有全向性,频率较小;红外线频率最小,常用于与温度有关的事物的探测;微波的频率介于二者间,其具有定向性,主要利用的是它会穿透电离层而进入宇宙空间的特性。现在微波应用最广,主要分为两种类型,即地面微波接力通信和卫星通信。由于微波在空间中是以直线传播的,而地球表面是曲面,所以其在地面的传播距离受到限制。为了增加传输距离,就增大天线塔的高度,塔越高,传输距离越远。地面微波通信有以下主要特点:频率高,带宽大,传输距离远,抗干扰能力强,可靠性高。但正由于其频率高的特性,所以在相邻站点间不能有障碍物,而且容易受到天气的影响而造成失真。卫星通信和地面微波通信的原理类似,其实质是利用位于36000km高空的人造同步地球卫星作为中继的一种微波接力通信。采用三个适当配置的卫星,就可以覆盖全球除两级音区以外的所有地方。卫星通信最大的优点就是通信为面覆盖式的,同步卫星发射的电磁波能辐射到地球的三分之一的区域,因而便于实现多址和移动通信,也便于组成通信网。因此,其广泛应用于传输多路长距离电话、电报、电视等业务,我们在不同的地域,也可以欣赏到其他地区的现场直播。然而,它也有它的缺点,那就是它的延时太大。无论地面上两站的距离有多远,从发射器通过卫星转载到接收器的延时有270us,这相对于其他无线通信要长得多,也正因为如此,卫星通信的保密性也较差。

  相比第一代的几十、数百Mbps速率的直接探测激光通信技术,第二代的空间相干激光通信技术速率可达到数Gbps,乃至数十Gbps,是国际上高度关注的前沿高科技技术。

同时,这项投资也是波音公司空间布局中的一环,HorizonX 的董事总经理 Brian Schettler 表示,“这笔交易也将提振波音的卫星业务,帮助我们继续引领在在卫星通信领域的优势,今早谋划下一代的空间技术。”

  “你好,世界!”这句看似普通的话,来自美国国家航空航天局录制的一段长为37秒的高清视频。它跨越太空和大气层回传到地面用时3.5秒。虽然在如今的“4G时代”这个速率有些不值一提,但若不是采用了激光通信技术,传统的无线电传输则至少需要10分钟。

按照传统通信系统模型来看,它的基本框架是:信源-发送器-传输系统-接收器-信宿。传输系统(信道),也就是我们所说的传输媒体所构成的系统模型。由于信号在信道中的传输是单向性的,而且会受到噪声的影响与干扰,所以,恰当选择传输媒体,对提高信号传输的性能,即可靠性和有效性,有着极其重要的意义。通信质量取决于信号的特性和传输媒体的性质,关键就是能否匹配好信号频谱特性和信道传输特性。传输媒体从狭义上来说,指的是发送器与接收器之间的传输系统,它针对的是信号;从广义上来说,指的是信源和信宿之间的系统,它针对的是信息。我们将传输媒体分为导向和非导向两种,二者的区别分别为受制于媒体自身特性和受制于信号本身。导向与非导向也就是我们常说的有线通信和无线通信。有线通信分为双绞线、同轴电缆、架空明线和光纤四类。光导纤维,也就是光纤,是一种能够传导光信号的极细(50μm~100μm)而柔软的介质。光纤的横截面为圆形,从外到内由三部分组成:外壳、包层、纤芯。三者的光学性能不同:纤芯常由二氧化硅构成,为光通路;。包层由多层反射玻璃纤维构成,目的是将光线反射到纤芯上。从传输点模数来分,光纤可以分为单模和多模两种传输方式,单模提供单条光通路;多模光纤,即发散为多路光波,每一路光波走一条通路。单模光纤因为衰减小而具有更大的容量,但是它的生产要比多模光纤昂贵。光纤在任何时间都只能单向传输,因此,要实行双向通信,它必须成对出现,一个用于输入,一个用于输出,光纤两端接到光学接口上。

  中国科学院网站1月20日报道,我国首次开展的星地高速相干激光通信试验成功,此次试验是国内首次在轨相干激光通信试验,由2016年8月16日发射的“墨子”量子卫星进行,成功达到了5.12Gbps数据、图片和视频的传输速率能力。

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