從烽燧到激光了解空間通信技術(shù)的革命性演進(jìn)與未來(lái)展望

   “烽火戲諸侯”的典故，不僅是西周王朝興衰的歷史縮影，更承載著人類早期空間通信的技術(shù)智慧。據(jù)《史記·周本紀(jì)》記載，周幽王為博褒姒一笑點(diǎn)燃邊關(guān)烽火，雖為戲謔之舉，卻客觀反映了古代烽燧通信系統(tǒng)的運(yùn)行邏輯——沿長(zhǎng)城布設(shè)的烽燧臺(tái)以“晝舉煙、夜舉火”為信號(hào)，構(gòu)建起人類歷史上最早的“單比特空間通信網(wǎng)絡(luò)”。這一系統(tǒng)已具備通信技術(shù)的核心要素：以“一烽示少量敵騎、二烽示數(shù)百之眾、三烽示大軍壓境”為信息編碼規(guī)則，以烽燧臺(tái)間的視覺(jué)傳遞為傳輸鏈路，可在數(shù)時(shí)辰內(nèi)將千里之外的軍情傳至京師。

    自此后，人類通信技術(shù)歷經(jīng)數(shù)千年迭代：微波技術(shù)的出現(xiàn)催生了衛(wèi)星電視等應(yīng)用，開(kāi)啟了大眾通信的新紀(jì)元；4G、5G、6G技術(shù)的逐步普及，使移動(dòng)終端成為新一代信息交互核心，通信速率實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)提升，且基站防雷等配套技術(shù)的完善已能保障復(fù)雜天氣下的使用安全。然而，現(xiàn)有通信體系仍存在顯著短板——海洋、沙漠、高空、太空等“非覆蓋區(qū)域”的通信需求尚未滿足，超高帶寬、高抗干擾性等進(jìn)階需求也亟待突破。在此背景下，激光空間通信作為新興技術(shù)方向，正成為全球航天與通信領(lǐng)域的戰(zhàn)略重點(diǎn)，推動(dòng)空間通信進(jìn)入全新發(fā)展階段。

    激光空間通信的核心價(jià)值：破解現(xiàn)有通信體系三大瓶頸

    激光空間通信憑借其技術(shù)特性，可有效彌補(bǔ)現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)的不足，在覆蓋范圍、帶寬能力、安全性能三大維度展現(xiàn)出不可替代的價(jià)值。

    1.突破地理限制，構(gòu)建廣域空間通信網(wǎng)絡(luò)

    當(dāng)前地面通信基站主要覆蓋城市及熱點(diǎn)區(qū)域，而海洋、沙漠、極地等偏遠(yuǎn)地區(qū)，以及近地軌道（LEO）、地球同步軌道（GEO）、深空探測(cè)區(qū)域等空天領(lǐng)域，均處于通信覆蓋盲區(qū)。激光空間通信通過(guò)衛(wèi)星間鏈路（星間鏈路）、衛(wèi)星-地面鏈路等技術(shù)路徑，可實(shí)現(xiàn)數(shù)百公里至數(shù)萬(wàn)公里的跨域通信，能夠?qū)⒌厍虮砻妗⒔乜臻g乃至深空探測(cè)區(qū)域納入統(tǒng)一通信網(wǎng)絡(luò)，為極地科考、遠(yuǎn)洋航行、深空探測(cè)等場(chǎng)景提供穩(wěn)定通信支撐。

    2.提升帶寬量級(jí)，滿足海量數(shù)據(jù)傳輸需求

    現(xiàn)有5GSub-6GHz鏈路的下行速率普遍處于數(shù)十Mbps至數(shù)百M(fèi)bps區(qū)間，僅能滿足日常多媒體瀏覽、即時(shí)通信等基礎(chǔ)需求；而激光空間通信鏈路（含星間、星地鏈路）的傳輸速率可達(dá)Gbps至Tbps量級(jí)，是傳統(tǒng)微波通信的數(shù)十倍甚至上百倍。這一超高帶寬特性，可有效支撐大規(guī)模衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)骨干鏈路傳輸、地球觀測(cè)衛(wèi)星高分辨率遙感數(shù)據(jù)回傳、空天領(lǐng)域?qū)崟r(shí)高清視頻及VR/AR信號(hào)傳輸?shù)群Ａ繑?shù)據(jù)交互場(chǎng)景，為未來(lái)空天信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

    3.強(qiáng)化抗干擾能力，保障敏感信息傳輸安全

    微波通信信號(hào)波束寬度較大，易受外部干擾，且信號(hào)截獲難度較低，在軍事通信、金融數(shù)據(jù)傳輸?shù)让舾袌?chǎng)景中存在安全隱患。相比之下，激光通信信號(hào)波束寬度極窄（可達(dá)毫米級(jí)甚至微弧度級(jí)），方向性強(qiáng)，采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸模式，外部干擾難以介入，信號(hào)截獲概率大幅降低，抗干擾能力與信息保密性顯著優(yōu)于傳統(tǒng)微波通信。這一特性使其成為軍事領(lǐng)域空天通信、金融行業(yè)跨區(qū)域核心數(shù)據(jù)傳輸、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)骨干鏈路安全保障的核心技術(shù)選擇。

    激光空間通信的技術(shù)挑戰(zhàn)：兩大關(guān)鍵難題待突破

    盡管激光空間通信具備顯著優(yōu)勢(shì)，但其產(chǎn)業(yè)化落地仍面臨兩大核心技術(shù)挑戰(zhàn)，需通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新持續(xù)攻克。

    1.高精度捕獲與跟蹤技術(shù)：實(shí)現(xiàn)跨域穩(wěn)定通信的核心

    激光通信信號(hào)波束發(fā)散角極小，在跨域傳輸（如星間、星地傳輸）過(guò)程中，即使存在微米級(jí)的瞄準(zhǔn)偏差，在數(shù)百公里至數(shù)萬(wàn)公里的傳輸距離下，也會(huì)導(dǎo)致信號(hào)徹底偏離目標(biāo)，因此高精度捕獲與跟蹤是保障通信穩(wěn)定的關(guān)鍵。這一技術(shù)需求對(duì)成像系統(tǒng)提出了極高要求——需具備高幀率、高靈敏度的近紅外成像能力，以實(shí)現(xiàn)對(duì)激光信號(hào)的實(shí)時(shí)捕捉與動(dòng)態(tài)跟蹤。目前，行業(yè)頭部企業(yè)已積極布局相關(guān)技術(shù)研發(fā)：2022年，全球圖像傳感器領(lǐng)域龍頭索尼（SONY）成立索尼太空通信公司（SSC），專注于太空光通信技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用；國(guó)內(nèi)紅外熱成像行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)睿創(chuàng)微納，也推出了針對(duì)激光通信信號(hào)捕獲場(chǎng)景的短波紅外模組，為高精度跟蹤提供技術(shù)支撐。

    2.復(fù)雜天氣適應(yīng)性：降低大氣環(huán)境對(duì)通信的影響

    與微波信號(hào)相比，當(dāng)前激光空間通信采用的激光波長(zhǎng)多在1700nm以下，在大氣中傳輸時(shí)易受云層、雨雪、霧霾等氣象因素影響，產(chǎn)生信號(hào)散射與吸收，導(dǎo)致傳輸衰減甚至通信中斷。為應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題，行業(yè)已形成“選址優(yōu)化+技術(shù)補(bǔ)償”的解決方案：在地面站選址上，優(yōu)先選擇高海拔、干燥少云的區(qū)域（如青藏高原、沙漠地帶），從源頭減少氣象因素干擾；在技術(shù)層面，通過(guò)部署多站點(diǎn)切換系統(tǒng)與自適應(yīng)光學(xué)補(bǔ)償技術(shù)，當(dāng)某一地面站受天氣影響無(wú)法正常工作時(shí)，可快速切換至備用站點(diǎn)，同時(shí)通過(guò)光學(xué)補(bǔ)償技術(shù)修正大氣擾動(dòng)對(duì)激光信號(hào)的影響，最大限度降低通信中斷風(fēng)險(xiǎn)。

    激光空間通信的未來(lái)趨勢(shì)：三大方向引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)

    從技術(shù)演進(jìn)與產(chǎn)業(yè)需求來(lái)看，激光空間通信將朝著“高速率、廣互聯(lián)、多譜段”三大方向發(fā)展，逐步實(shí)現(xiàn)從科研創(chuàng)新到規(guī)模化應(yīng)用的跨越。

    1.速率持續(xù)升級(jí)：支撐深空探測(cè)與空天互聯(lián)需求

    未來(lái)，激光空間通信速率將在現(xiàn)有Gbps量級(jí)基礎(chǔ)上進(jìn)一步向Tbps量級(jí)突破，不僅可滿足近地衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的海量數(shù)據(jù)傳輸需求，還能為地月通信、火星探測(cè)等深空任務(wù)提供穩(wěn)定通信保障。例如，在火星探測(cè)任務(wù)中，Tbps量級(jí)的傳輸速率可實(shí)現(xiàn)火星表面高清影像、科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)回傳，為深空科學(xué)研究提供高效數(shù)據(jù)支撐。

    2.空天光互聯(lián)組網(wǎng)：構(gòu)建“天地一體”通信體系

    依托低軌衛(wèi)星、地面基站、高空平臺(tái)（如高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)、平流層飛艇）等載體，激光空間通信將實(shí)現(xiàn)空天與地面的全域組網(wǎng)，構(gòu)建“天地一體”的高速通信網(wǎng)絡(luò)。這一網(wǎng)絡(luò)可打破空天與地面的通信壁壘，例如：高空飛行的民航客機(jī)可通過(guò)激光鏈路接入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，為乘客提供高速聯(lián)網(wǎng)服務(wù)；偏遠(yuǎn)山區(qū)通過(guò)衛(wèi)星-地面激光鏈路，可實(shí)現(xiàn)與城市同等質(zhì)量的通信覆蓋，推動(dòng)數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施均衡發(fā)展。

    3.多譜段協(xié)同應(yīng)用：實(shí)現(xiàn)全天候無(wú)障礙通信

    隨著激光技術(shù)的迭代，紫外、紅外、太赫茲等不同譜段的激光技術(shù)已逐步具備應(yīng)用條件，且各譜段特性存在顯著差異——紫外激光抗電磁干擾能力強(qiáng)，紅外激光云霧穿透性能更優(yōu)，太赫茲激光適用于短距離高速自組網(wǎng)。未來(lái)，通過(guò)多譜段激光技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用，可根據(jù)不同環(huán)境條件（如晴天、云雨、強(qiáng)電磁干擾場(chǎng)景）動(dòng)態(tài)切換最優(yōu)譜段，實(shí)現(xiàn)“全天候、無(wú)障礙”的穩(wěn)定通信。

    當(dāng)前，激光空間通信已成為全球航天與通信領(lǐng)域的戰(zhàn)略必爭(zhēng)之地，NASA、歐洲空間局（ESA）及中國(guó)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)與企業(yè)均將其列為重點(diǎn)發(fā)展方向，產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)已從技術(shù)研發(fā)階段逐步轉(zhuǎn)向規(guī)模化應(yīng)用階段。從古代烽燧的“單比特”通信，到現(xiàn)代激光的“Tbps”互聯(lián)，人類通信技術(shù)的演進(jìn)始終以“突破距離、提升效率、保障安全”為核心目標(biāo)。隨著激光空間通信技術(shù)的持續(xù)突破與產(chǎn)業(yè)落地，未來(lái)“天地一體、空天互聯(lián)”的通信圖景將逐步成為現(xiàn)實(shí)，為全球數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展與深空探索事業(yè)提供堅(jiān)實(shí)支撐。