世界首次！飛機(jī)與靜止衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)3.6萬公里激光通信

隨著空間激光通信技術(shù)的飛速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)、長距離的高速率數(shù)據(jù)傳輸已成為提升航空及國防通信能力的關(guān)鍵。近日，歐洲航天局（ESA）與空客（Airbus）公司協(xié)作，成功演示了全球首次飛機(jī)與地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星之間的激光鏈路通信試驗(yàn)。該試驗(yàn)利用一道極窄的激光束，在高速飛行的飛機(jī)與距地3.6萬公里的衛(wèi)星間建立了穩(wěn)定連接，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到2.6 Gbps，實(shí)現(xiàn)了此前僅地面光纖網(wǎng)絡(luò)能達(dá)到的性能水平。本次演示由歐洲空間局、空客防務(wù)與航天公司、荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究組織（TNO）及德國 TESAT 公司共同完成。在法國尼姆進(jìn)行的試飛中，空客 UltraAir 激光終端展現(xiàn)了卓越的性能，持續(xù)數(shù)分鐘保持無誤碼傳輸。這一突破性成果證明了激光通信技術(shù)在航空、航海及國防安全領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)超視距、高帶寬連接的巨大應(yīng)用潛力。

圖源：ESA

跨越3.6萬公里距離的穩(wěn)定激光鏈路

在兩個(gè)地面固定終端之間建立激光鏈路已頗具挑戰(zhàn)，而在高速運(yùn)動(dòng)的飛機(jī)與GEO衛(wèi)星之間實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，則對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)精度提出了苛刻要求。在距地3.6萬公里的軌道上，衛(wèi)星相對于地面保持靜止，而飛機(jī)卻始終處于振動(dòng)、氣流擾動(dòng)和持續(xù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。激光通信系統(tǒng)必須克服大氣湍流、云層遮擋和溫度變化等復(fù)雜干擾因素，同時(shí)確保光束實(shí)現(xiàn)極高精度的實(shí)時(shí)對準(zhǔn)。

圖源：Airbus

空客防務(wù)與航天公司互聯(lián)智能業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人 Fran?ois Lombard 闡述了這項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)的難度：“在如此遠(yuǎn)的距離上，于兩個(gè)移動(dòng)目標(biāo)之間建立激光鏈路在技術(shù)上極具挑戰(zhàn)性。持續(xù)的運(yùn)動(dòng)、平臺(tái)本身的振動(dòng)以及大氣擾動(dòng)，都對系統(tǒng)精度提出了極高要求?！痹诖舜窝菔局?，飛機(jī)搭載的 UltraAir 激光終端成功實(shí)現(xiàn)了對衛(wèi)星的快速捕獲與鎖定，并維持了足夠長時(shí)間的穩(wěn)定連接，充分驗(yàn)證了其持續(xù)高通量傳輸能力。在2.6 Gbps的傳輸速率下，下載一部高清電影僅需數(shù)秒。

除了民用價(jià)值，該技術(shù)的戰(zhàn)略維度同樣顯著。TNO太空部主任 Kees Buijsrogge 從地緣政治角度評價(jià)稱：“這次突破證明，我們的工業(yè)界通過在安全激光通信領(lǐng)域引領(lǐng)戰(zhàn)略技術(shù)，正在加強(qiáng)歐洲的安全及其自主性。”由于激光束發(fā)散角極窄且所用波長不可見，其本質(zhì)上難以被探測或截獲。對于在爭議環(huán)境中行動(dòng)的國防用戶而言，這為提升通信韌性和行動(dòng)安全性提供了絕對優(yōu)勢。

從“太空數(shù)據(jù)高速公路”到空天一體：

歐洲激光通信的演進(jìn)歷程與基建支撐

此次機(jī)載演示并非孤立事件，而是歐洲研發(fā)實(shí)用化激光中繼能力十余年的厚積薄發(fā)。歐空局（ESA）的歐洲數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)（EDRS，通常被稱為“太空數(shù)據(jù)高速公路”）利用地球靜止軌道中繼衛(wèi)星，通過激光鏈路接收來自低地球軌道（LEO）航天器的數(shù)據(jù)并傳輸至地面站，無需等待傳統(tǒng)的下行傳輸窗口。

圖源：ESA

低軌衛(wèi)星大約每100 min繞地球一圈，但在每次過境期間，與特定地面站的視線接觸時(shí)間可能僅有10 min左右。EDRS通過地球靜止軌道節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)連續(xù)的光學(xué)中繼，解決了這一瓶頸問題，大幅提升了可通信時(shí)間并降低了延遲。其背后的技術(shù)精度要求極高：激光終端必須在接近4.5萬公里的距離上定位并鎖定目標(biāo)，而其中一個(gè)平臺(tái)相對于地球的運(yùn)動(dòng)速度可能高達(dá)8 km/s。此次實(shí)現(xiàn)的新型飛機(jī)對 GEO衛(wèi)星鏈路，實(shí)際上是將這一成熟的航天概念成功拓展到了航空領(lǐng)域。

目前，機(jī)載UltraAir終端已成為更廣泛的歐洲光通信生態(tài)系統(tǒng)的一部分。空客荷蘭公司開發(fā)的LaserPort光學(xué)地面站，能夠與低軌、中軌和地球靜止軌道衛(wèi)星建立雙向鏈路，速率范圍涵蓋2.5 Gbps 至100 Gbps，并具備擴(kuò)展至太比特（Tbps）級(jí)吞吐量的潛力。這些系統(tǒng)支持干線傳輸、饋電鏈路和數(shù)據(jù)中繼應(yīng)用，與射頻系統(tǒng)相比，具有無需頻率許可運(yùn)營和每比特傳輸成本大幅降低的優(yōu)勢。此前，如 CREOLA 等項(xiàng)目已成功在數(shù)天內(nèi)維持了速率達(dá)9 Gbps的雙向光學(xué)饋電鏈路。

重塑衛(wèi)星連接格局：

HydRON網(wǎng)絡(luò)下的航空、

海上與國防應(yīng)用愿景

隨著全球數(shù)據(jù)流量持續(xù)激增，傳統(tǒng)射頻（RF）頻譜變得日益擁擠且受到嚴(yán)格監(jiān)管，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)面臨的壓力劇增。尤其是在較低軌道上，傳統(tǒng)射頻頻段正遭遇嚴(yán)重的帶寬瓶頸。歐空局關(guān)于激光通信的資料顯示，在此環(huán)境下，光鏈路具有決定性優(yōu)勢。由于激光束的發(fā)散度遠(yuǎn)低于無線電波，它們能在更遠(yuǎn)的距離上傳輸更大量的數(shù)據(jù)，同時(shí)具有更高的安全性和更低的截獲風(fēng)險(xiǎn)，且規(guī)避了復(fù)雜的頻率許可限制。

圖源：ESA

歐空局的部門主任Laurent Jaffart表示：“此次演示展示了光學(xué)系統(tǒng)如何能夠支撐歐洲及其他地區(qū)的安全通信。這一成就證明了光通信能夠?yàn)槲覀兂蓡T國帶來變革性的安全連接，尤其是解決了在嚴(yán)苛條件下建立快速激光通信、使其能夠規(guī)避干擾和探測時(shí)所遇到的技術(shù)挑戰(zhàn)?！?/p>

基于這一突破，歐空局提出了HydRON（高通量光學(xué)網(wǎng)絡(luò)）愿景，旨在將空中、天基和地面節(jié)點(diǎn)集成到一個(gè)可擴(kuò)展的架構(gòu)中，以應(yīng)對日益增長的數(shù)據(jù)需求。歐空局光學(xué)與量子通信辦公室負(fù)責(zé)人Harald Hauschildt指出：“空中用戶與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)之間的光通信是歐空局議程上的重中之重。連接高空偽衛(wèi)星（HAPS）和飛機(jī)的高數(shù)據(jù)率、低延遲鏈路，對于商業(yè)及韌性驅(qū)動(dòng)應(yīng)用而言同樣不可缺。”目前，ARTES計(jì)劃下的 HydRON Element Gbps的雙向光學(xué)地面鏈路。這一技術(shù)的普及，將為商業(yè)航空乘客、爭議空域內(nèi)的軍用飛機(jī)、海上艦船以及偏遠(yuǎn)陸地區(qū)域的交通工具提供一條實(shí)現(xiàn)強(qiáng)韌、高速連接的康莊大道。

>End

本文轉(zhuǎn)載自“中國激光評論”，原標(biāo)題《世界首次！飛機(jī)與靜止衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)3.6萬公里激光通信》。

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