大容量的激光卫星通信

空间信息高速公路的建成，将使无穷无尽的、观看不到的信息溪流，昼夜川流不息，聚集成奔腾澎湃的信息波涛，汇成无边无际、波澜壮阔的信息海洋，把本来相互离散着的人间个体，紧密连接成相关的整体。

人们在建造空间信息高速公路时，不断在思考如何才能保持公路的畅通无阻，不仅要满足当前的需要，而且更要给未来的发展留有足够的余地。通过实践，人们发现中、短波可以传递声音，微波除可传递声音外，还能传递图象。然而，它们的频率远远不能适应人类对负荷信息量的传输要求。人们还发现在利用地球静止轨道通信卫星进行全球、洲际或跨海洋长距离通信时，由于 1 颗卫星只能覆盖地球表面的 40％，其余地区不能通过该卫星直接通信，因此需要采用双跳的传输方式。发送信号的一方先将信号发向一颗卫星，经卫星转发给地球上的一个中继站，再将此信号发送给另一颗卫星，由这颗星将信号发送给对方。来回一次信号传输距离大约 8 万千米，时间延迟 0.27 秒，使双方在通信对话时产生一些不自然的感觉，还由于两次转发的不协调问题，常常会使发话者听到多次相隔约 0.53 秒的回音。于是，人们把触角伸向了比短波、微波频率更高的光波波段。

普通的光波，因其光线呈全方位辐射，损耗大且作用距离太近，因此实用价值不大。在 1960 年，人们终于研制出第一台激光器——红宝石激光器，并发射出一束很强、很直、很纯的红光，从此，人类历史上便出现了第一束被驯服了的光——激光。用这种被驯服的光传输信息，成为人类目前最理想的通信方式，使人类从电通信跨入到光通信的阶段。

激光与普通光源相比，具有很多特殊的性质，几束光穿插传播时，彼此不发生干扰，也不受电磁场的影响，在介质中传播速度约为每秒 30 万千米。激光辐射在“时间”上高度集中，激光能量仅在纳秒（1 纳秒=10-9秒）时间内释放出来，激光脉冲宽度窄到皮秒（1 皮秒=10-12 秒）～飞秒（1 飞秒=10-15 秒），被称为“超短脉冲”，很适用于快速保密通信。激光辐射在“空间”上高度集中，方向性很强，因而具有很高的增益，用于通信可以传递得很远。激光辐射在“波长”上高度集中，波长分布范围很窄。激光的相干性、单色性和方向性，使它成为通信的理想载体。在理论上，光频段宽达 1013～1015 赫，这样大的带宽，对每路 4 千赫的电话，可容纳 100 亿路；对带宽为 10 兆赫的彩色电视，可同时传送 1000 万套电视节目而互相不干扰。由此可见，一旦激光卫星通信投入实际使用后，由于其容量大和抗干扰性强等特点，不仅能扩大通信容量，缓和通信频段拥挤，而且避免洲际通信时延的现象发生，是实现星间通信和准确快速、保密性强的军事卫星通信的重要技术途径。

从轨道上向地面*地发送、接收宽频带图象信号的光通信系统，已十分引人注目。而卫星间光通信将是人类在大气层外或在卫星轨道上支持多种活动的基础。卫星间光通信，是指利用激光技术进行卫星与卫星之间、卫星与地球站之间的通信。卫星间激光通信技术投入使用后，无论是在静止轨道上的卫星，或是在低轨道上的卫星、飞船、航天飞机、空间站，以及深空探测器，都可利用激光通信技术，将它们连接在一起，形成一条无形的光学链路，使信息畅通无阻，这时空间信息高速公路将 成为名符其实的高速公路。比如近地轨道上的“铱”卫星移动通信卫星系统，在每颗星上装有激光通信设备，使卫星之间形成光学链路，这样任何一户移动用户只要与飞经他上空的一颗卫星进行传输，就能与全球各地进行通信。

激光通信技术在国际卫星通信中将发挥越来越大的作用，获得更多的效益。目前国际通信卫星组织已在太平洋、大西洋以及印度洋上空的静止轨道上部署了 4～7 颗国际通信卫星，这些卫星利用微波和地球站进行通信。为了适应未来的通信需要，可考虑将这些卫星上安装光收发两用机，在轨道上进行数据交换，使多颗卫星串接在一起，形成卫星群体，各地的地球站则可通过卫星群进行信息传输。

激光通信技术在深空通信中，也有广泛的应用前景。深空通信主要是地球静止轨道卫星与月球轨道卫星之间，地球静止轨道卫星与月球和行星上的基地之间，地面与深空之间的通信。由于深空通信，数据往往要传输数十亿千米的距离，而能量衰减与距离有关，为了有效地抑制能量的发散，可采用波长短的发射波束。光的波长与微波相比约小千倍，因而在深空通信中，利用激光技术可以建立频带宽、能量集中、效率高的通信系统。

卫星间光通信所用的通信装置，主要是光收发两用机，由半导体激光器光源、光调制解调系统、光波束控制系统、光天线等系统组成。星上设备小、重量轻、抗干扰性强、通信容量大。但光通信技术在空间应用也有一定的难度，因而需要采取一些技术措施。在设计卫星光通信系统时，卫星与卫星间的作用距离就是要考虑的一个重要因素，比如静止卫星与低轨道卫星间距离约为 4.3 万千米，静止轨道卫星间距离约为 8 万千米。对于这样超远距离的通信，就需要研究输出功率大、灵敏度高的接收系统。卫星间光通信，是在高速运动的移动体间进行，因此，要采用先进的捕获、跟踪、指向技术，还要注意多普勒频移校正问题。更需要注意卫星间光通信的背景光噪声的影响，有来自太阳光、地球反射与照射光、月球的太阳反射与照射光；明亮的行星与恒星所射的光。当它们进入光学接收系统视野内时，使信噪比降低。为了减轻这一影响，可以采取使接收机视场角变窄、使用窄带滤波器、限制入射噪声能量，尽可能采用波长短的激光等技术措施来改善通信质量，并增大通信容量。

毫无疑问，今后激光通信技术将逐步在空间信息高速公路中得到广泛应用，为空间科学、空间应用以及人类进入太空从事生产、科研和生活做出贡献。人们已充分注意到要开发太空，势必要优先发展激光卫星通信系统。