论坛全程回顾2:王建宇院士作主题演讲《激光通信一一空间大数据的高速公路》

10月22日上午,在2020上海静安国际大数据论坛上,中科院院士、中科院上海分院院长王建宇作主题演讲,围绕空间激光通信和深空探测中的激光通信、海洋探测中的激光通信等方向带来前沿分享。以下为演讲内容精彩节选。

王建宇院士作主题演讲《激光通信一一空间大数据的高速公路》

中科院院士、中科院上海分院院长王建宇

空间激光通信

空间技术传统分类有对地观测、导航定位、卫星通信、科学实验。近年来,空间技术对人类的挑战非常大,国际上提出,把互联网建到太空中去,这样一来,地球上任何地方,都能随时随地用到网络。

王建宇院士作主题演讲《激光通信一一空间大数据的高速公路》

美国SpaceX提出天上放一万多颗卫星,就能形成空间互联网。中国对于空间互联网也非常重视和支持。空间技术发展之后,通导遥一体化,一颗卫星兼有通信、导航、遥感的性能,综合性卫星提升了在天上办事的效率。

目前的空间通信一般采用微波。例如我们以前有调幅和调频的收音机,调频收音机频率较高,含的信息量比较大,音质就比较好。后来有了电视,电视信息量增多,需要更高的频率去调制。到卫星之后不断发展,从微波到地面的激光通信,载波的频率越来越高,能传输的信息量也越来越大。

空间信息怎么传送是个大问题,激光t通信有可能解决这个问题,在传输上把频率和数据量提高上去。

光通信特点是高带宽容量,重量轻、体积小,而且激光通信不受电磁频谱限制,占用的资源非常少。光通信载波频率可以比一般的微波高三个数量级,重量轻,体积小,另外光打到的地方才能收到,保密性强。

王建宇院士作主题演讲《激光通信一一空间大数据的高速公路》

国际上光通信的网络非常多,专门的光通信网络包括侦查卫星、多媒体卫星、小卫星、侦查卫星、导航定位卫星。由于光通信怕云怕下雨,所以往往对地还是采用微波。在空间里面,可以全部采用激光的连接。从1995年开始,国际上就有人研究光通信。中国在这个领域也紧跟脚步。

王建宇院士作主题演讲《激光通信一一空间大数据的高速公路》

欧洲和日本最早在光通信领域取得了成功。据说美国发射的第一颗卫星,没有捕获,被欧洲、日本抢了先。美国这个项目坏掉了,就马上去做别的事,到2013年,美国在月球上,利用激光通信,把一段视频从月球传到了地球,这段视频的激光发射终端口径只有10厘米,传输速率达到了622M。

中国也非常重视激光通信。2011年,海洋二号搭载演示, 2016年,量子卫星墨子号载人航天里面搭载了激光通信,特别是第二代相干激光通信,速率已经能提高到每秒钟5个G。第二代相干激光通信,把激光里面的相位信息利用起来,通过激光相互干涉来传递信息,灵敏度能够提高很多。

王建宇院士作主题演讲《激光通信一一空间大数据的高速公路》

最近我们国家对于空间近地组网的计划非常多。科技创新2030用了激光通信的手段,计划2022年示范验证,中国的航天科工、科技,都在做激光通信。值得关注的是,激光通信的商业价值已经被看到,有专门的企业研究在天上能不能进行商业化的数据传送。中科深链准备用商业化的方法,做几颗高轨的卫星,作为基站,然后把月球作为一个基点,连接数据,再通过一些小卫星,作为低轨的空间中转,建立起一个以中继载荷为中心,配备深空、高轨和低轨小卫星构建天地中继激光的通信网络,结合自有的地面运管和商业化运行,为空间数据传输提供服务。这套系统具备全天候、全天时,双向高速数据通信、无需频谱资源审批、抗干扰能力强,商业化的开放服务,按需使用的特点。

王建宇院士作主题演讲《激光通信一一空间大数据的高速公路》

深空探测中的激光通信

月地距地大概40万公里,如果用传统的强度调制,要500瓦的激光,这是卫星的能源系统支撑不起的,所以不具备可行性,即使用相干探测第二代也是由困难的。所以最新的技术是基于光子探测的激光通信,能把原来的灵敏度提高两到三个数量级。

王建宇院士作主题演讲《激光通信一一空间大数据的高速公路》

研究当中,有一定的难点。比如怎么把信号调到单光子里面去,还有探测在深空当中怎么对准,这些技术还在探索当中。我们要有新的容错技术,能够达到日常通信所需要的容错率,就是让它误码率减少到10的-8到-9次方左右。像这种情况下,如果在光子上不加特别的编码,它的误码率是非常非常高的,加了以后,它马上可靠度就提高上去了。

王建宇院士作主题演讲《激光通信一一空间大数据的高速公路》

还有它要探测一个个光子,而且有些光子同时到来,要把它们区分开。有一种探测器,叫超导纳米线探测器,我们先把探测器温度放在没有电阻的地方,这个时候一个光子上去,足够把探测器的温度,从超导点以下变到超导点以上,这样电阻变得很大,就会出来一个脉冲。

对比一下,例如月球通信,通信距离是40万公里,如果用光子的方法大概能达到两个G,发射口径只要20毫米两瓦。哪怕是到火星通信,两亿公里,大概还能达到4Mbps的速率,发射功率也就20、10瓦。

如果用最快的微波X波段对比,大概能传250K,要求卫星上的口径是1米,地面口径要30米才能做到。

王建宇院士作主题演讲《激光通信一一空间大数据的高速公路》

海洋探测中的激光通信

水下激光通信包括水下与水面通信、水下与空中通信,水下与太空通信。

水下通信常用办法是用声纳,但是声纳通信速率低,保密性差。所以也想用激光通信,但是水下用光通信存在困难。通过研究,发现在蓝绿光这个波段有可能实现。理论上来说,水下通信容量可达到十个G,但是水对光的吸收较大,蓝绿光波段穿过的海洋,在大洋深处约200米,近岸约50米,水越干净,大概能通的距离越远。

王建宇院士作主题演讲《激光通信一一空间大数据的高速公路》

英国做了一个系统,传输速率约12.5兆,通信距离约150米。但是要注意, 12.5兆,一定不是在150米距离完成的,可能10米的时候能达到,但是150米的时候大概只有几兆。

王建宇院士作主题演讲《激光通信一一空间大数据的高速公路》

我们研究跨介质的蓝绿激光通信,并且在深度1120米下做了实验,已经能够达到3.2K,这个数据看起来低,但是综合性能已经优于国际上公开报道的系统。

目前还在做是把量子的办法用到海里去,这个也进展良好,国际上报道最远的是200米、10M,而我们能够做到500米,通信速率不低于1Mbps。

今天就给大家带来这些激光通信的新内容分享,谢谢大家。

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