星間激光通信技術的通信過程為：A星的光發(fā)射機將原始信息的電信號轉換為光信號，調制后的光束經由發(fā)射光路，以空間光的形式發(fā)射給B星；B星的光接收機將光信號轉換回電信號，并進行信號放大、判決和濾波等處理，恢復激光載波攜帶的原始信息。與此相比，星間微波通信的信息載體是無線電，無需進行發(fā)射端的電光轉換和接收端的光電轉換。

百公里“穿楊”之外，不掉線面臨更大挑戰(zhàn)

在茫茫太空中，距離遙遠的一顆衛(wèi)星發(fā)射的激光又如何能夠抵達另一顆衛(wèi)星的接收設備中呢？

“以行云天基物聯網的星座為例，兩顆星之間的距離平均為數千公里，并且會相對快速移動?！倍爬f。想象一盞高瓦數、不發(fā)散的射燈，準確地在幾百公里外，穿進一枚銅幣的中心，這枚銅幣和射燈本身還在快速運行中，其難度甚于“百米穿楊”千百倍。

不只如此，僅僅完成建立聯系的瞬間精準還只是第一步，穩(wěn)定地在嚴苛的太空環(huán)境下保持均一、持續(xù)的聯系，不掉線也對星間激光通信設備提出了更高要求。

杜利介紹，建立星間通信鏈路并保持鏈路穩(wěn)定是一項最關鍵的技術。兩顆衛(wèi)星始終處于相對高速運動，要成功建鏈并保持穩(wěn)定需要幾大步驟，即瞄準、捕獲和跟蹤。

瞄準是指激光終端需要瞄著某個方向發(fā)射信標光，以便對方能接收。為了相互瞄準，A星和B星需要預先知道什么時刻開始瞄準，對方在什么時刻會出現在哪個空間位置，光束從己方射出到達對方需要多長時間，“它們約定某時刻開始工作后，雙方需基于自身姿軌控、地面遙測遙控和對方衛(wèi)星軌道預報等信息，實時計算對方星體的相對位置（相對角度），向對方所處區(qū)域發(fā)射信標光。當發(fā)射信標光不足以覆蓋對方星體所處的不確定范圍時，還需使用信標光束掃描該區(qū)域。”杜利解釋。

信標光束猶如“信號彈”讓彼此定位，如果入射的信標光均能進入A星和B星激光接收機的探測視場內，即實現了雙向捕獲。捕獲過程會包括粗調，即接收系統(tǒng)將計算光斑質心與接收光學系統(tǒng)光軸標志點的脫靶量，驅動接收光學系統(tǒng)的粗瞄機構作偏轉運動，使入射光斑質心向光軸標志點方向運動。

跟蹤則可視為“細調”“矯正”。當捕獲模式中的光斑逐步接近標志點時，系統(tǒng)切換為跟蹤模式，利用更小的窗口不斷快速計算脫靶量，并實時反饋給跟瞄執(zhí)行機構，以使入射光斑質心始終保持在光軸標志點附近。

“星間激光通信是極遠距離、極弱信號的探測，其技術難點來自于超遠的距離、鏈路的動態(tài)變化和復雜的空間環(huán)境?！倍爬f，由于距離超遠，星間激光通信技術要求發(fā)展同時具備功率大、功耗低、線寬窄和溫度穩(wěn)定性好的激光器模塊，超高靈敏度的光電探測器，以及高速光電轉換器件。

也就是說，要實現星間激光通信，硬件的高靈敏、高精確是基礎，而算法的迅速和準確是保障，經過軟、硬件的協(xié)同發(fā)展和磨合將逐步提高星間激光通信技術的高反應速度和高精度，例如實現建鏈時間的秒量級，光束對準精度在幾微弧度之內。以上僅僅是星間的“一對一”通信，對于星間激光組網而言，還需考慮多路接入、路由切換和空間網絡交換等問題。

“對于商用激光通信星座而言，還需要考量性能和成本的協(xié)調發(fā)展，需要解決的將不僅是科學問題，還有與不同行業(yè)的匹配、兼容等問題?！倍爬硎?，星間激光通信作為一種高速數據傳輸手段，在需要快速回傳衛(wèi)星數據的場合，例如災情采集、應急通信、敵情偵察、衛(wèi)星導航等，激光鏈路可以提供很好的實時性；在需要傳輸大容量數據的場合，例如全球測繪、氣象探測等，激光鏈路可以提供很好的穩(wěn)定性。通過星間激光通信技術構建的星間通信骨干網，將有望變革未來空間通信技術，為未來高速、高通量天地一體化通信網絡的建設奠定基礎。