中国把地月太空“网线”拉好了

“中国把地月太空‘网线’拉好了！”8月28日，中国科学院空间应用工程与技术中心披露，经过一年多的在轨测试试验，我国科研团队成功构建了超过40万公里的地月距离双向激光链路，标志着空间激光通信正式从近地轨道迈入地月空间。

地月“信息高速路”如何打通的？长安街知事采访了幕后的研发团队。

地月尺度双向激光通信示意图（中国科学院空间应用中心供图）

与传统微波通信相比，空间激光通信速度快、带宽大，方向准、保密性好，设备小、重量轻，双向高速、收发自如。“但数十万公里的深空距离，瞄准精度要求苛刻、信号衰减到极致、传输速率难以提升，这是深空激光通信领域长期面临的‘三座大山’。”中国科学院空间应用中心研究员、激光通信试验科研团队负责人杨雷介绍。中国科学院空间应用中心是地月激光通信试验任务的牵头单位，科研团队经过为期5年的技术攻关，成功解决了上述难题。

“地月间通信可谓是‘万里穿针’，要在40万公里外，将一束极细的光线精准穿过一个高速运动的‘针孔’。”之江实验室研究员李超表示。在这样遥远的距离上，卫星姿态的微小变化、机械振动，甚至是大气扰动都可能导致光束漂移。

“发射端哪怕出现极其微小的角度偏差，抵达目标附近时也会产生数公里的位置误差。”云南天文台研究员李语强说。科研团队创新性地提出了适用于超远距离、极微弱信号条件的双向捕获跟踪方案，通过对卫星轨道、望远镜安装及形变误差、大气折射、激光飞行时间等多种因素的计算和系统校准，使空间端与地面端能够在运动中持续保持高精度对准，确保激光在目标尚未显现时便能精准照向预定区域。

激光经过40万公里传播到达地面时，地面望远镜仅能收到几个光子，必须使用能够对单个光子作出响应的高灵敏光电探测器，才能探测到信号。月光、星光、城市灯光等信号也会混入其间，对激光信号形成干扰。“精准甄别信号，犹如在千里之外喧嚣嘈杂的闹市中，准确听清一根针落地的声音。”中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员李浩表示，科研团队基于单光子探测和通信处理领域的长期理论研究和工程技术基础，突破了高速超导单光子探测技术和一系列复杂的高灵敏度通信信号处理算法，能够从海量背景噪声中甄别出有效信号，实现“千里辨音”。

科研团队还突破了皮秒级时间识别的大带宽高效通信处理技术，采用高阶脉冲位置调制和高可靠信号处理方案，在极低信噪比条件下实现高码率数据传输。同时，通过强纠错编码策略对抗噪声，确保海量探测数据能够以高速度、低误码率传回地面。本次试验已初步实现上行1.25兆比特每秒、下行100兆比特每秒的通信速率，为后续持续提升通信速率奠定坚实基础。

随着全球月球探测、载人登月和月球科研站建设的加速推进，地月空间即将迎来一场“数据大爆炸”。利用传统微波通信方式传输，带宽窄、速度慢，以一幅8K月面高清图像为例，采用5兆比特每秒级微波链路，下传一幅图像约需4至5分钟；采用百兆比特每秒级激光通信后，可将传输时间缩短至约12秒。

“目前，地月之间的‘信息高速路’已经打通，未来我们将会获取到更多更有原创价值的科学数据。”杨雷表示，相关技术形成的地月空间轻量化、小尺寸、低功耗、高速率的信息传输能力，还将为我国载人登月、月球科研站建设和深空探测提供高速信息传输新手段，支撑我国空间科学与应用取得更多更好的原创性科学成果。