中又輸？嘿嘿，贏麻了_風聞

有誰沒事看中科院的公告網站嗎？估計沒有。頭條、微博、微信上的八卦好玩多了。知道嗎，李湘離婚啦。不過，科學院的公告有時候還是蠻有意思的。這不，11月25日消息：長春光機所為北斗全球系統研製的大型激光通信標校設備完成星地試驗，完成了高軌道和中軌道星載終端的信標和信號的雙向跟蹤、自適應校正及光纖耦合、上行和下行通信和星載端機參數的標校。

激光比無線電的頻率更高，方向性更好，除非兩束激光交會了，否則同樣頻率的激光束可以各用各的，不會互相干擾。激光通信具有高速率、高保密性和無須頻率申請許可等優點，特別適合衞星數據中繼、高速數傳、衞星通信網絡。大口徑激光通信標校設備是激光通信網絡中的關鍵裝置，但大氣湍流效應造成的波前畸變、光斑彌散、光斑抖動等現象導致單模光纖接收的高速相干光通信較為困難。長春光機所用自適應技術解決了這些問題，波前校正精度優於λ/8（λ=1550nm），校正前後耦合效率得到大幅提升，在城市大氣湍流條件下實現了星地下行相干光通信。

長春光機所的裝置達到通信和標校一體化，信號光和信標光均為收發分立口徑，可實現全雙工相干高速通信，採用後光路（包含自適應系統）放置於機上的設計方式，適合車載使用，便於機動布站。試驗中實現了地面同高軌道衞星間粗跟蹤的秒通，並持續整個弧段的穩定雙向跟蹤。目前，設備已完成地面對中軌道衞星、高軌道衞星多次試驗任務。下一步：實用化、產品化。

説了半天，這是幹什麼用的呢？

衞星通信已經有很長曆史了，但一直有帶寬瓶頸。這可以從香農定理什麼的説起，但説白了，就是有多寬的路跑多大流量的交通。單車道只能走那麼多車，雙車道就可以加倍，車道越寬能走的車越多。通信帶寬也一樣，帶寬越寬，通信容量越大。帶寬與頻率成正比，適合衞星通信的無線電頻率只有幾個常用的波段。頻率越高，帶寬越大，天線尺寸越小，但受大氣影響越大；頻率較低，受大氣影響小，但帶寬也小，天線尺寸較大。兩頭兼顧的頻率就是現在常用的頻率，但這也決定了衞星通信的帶寬受到限制，在話音通信和電視轉播為主的時代，還夠用，但在數據通信時代，帶寬就不夠用了。

光的頻率大大高於無線電，激光通信的容量和數據率成數量級地高於無線電。激光通信還有方向性好，波束窄，只要不在直視視線內，幾乎不可能截聽，自然也難以干擾。激光通信的設備也非常緊湊，大口徑只是相對於常規光學鏡頭尺寸而言，而常規的衞星通信用1米天線已經是較小的，早期衞星電視需要3米天線，地面站則是10米起跳。激光的功耗也低於無線電。

這些特點不是秘密，問題和高頻無線電一樣，而且更大，這正是波前畸變、光斑彌散、光斑抖動等問題。但問題越大，回報也越大。通常的衞星通信速率在KB/秒級，激光通信可以達到GB/秒級。這是電話線撥號上網和光纖寬帶上網的差別。NASA在11月29日宣佈，在兩年延遲後，將在12月發射試驗衞星，進行激光通信實驗，目標數據傳輸速率2.8GB/秒。中國又領先了，不過北斗激光通信的技術細節和性能數據並沒有透露。激光通信的理論極限是TB/秒級。

北斗已經是世界上最大的衞星導航系統，在軌衞星數量達到35顆，超過美國的GPS的31顆。GPS全部是中軌道衞星，北斗不同，有中軌道和高軌道兩種，而且除了導航，還有短信功能，這事獨特的。

北斗1的覆蓋地區

北斗2的覆蓋地區

第一代北斗衞星在2000-03年間發射，共有4顆，都是高軌道的，在赤道同步軌道運行，覆蓋中國及周邊地區，現在已全部退役。第二代北斗衞星在2004-12年間發射，覆蓋亞太地區，共有4顆赤道同步衞星，5顆傾斜同步衞星，5顆中軌道衞星，已有部份開始退役。第三代北斗，覆蓋全球，共有3顆赤道同步衞星，3顆傾斜同步衞星，24顆中軌道衞星，在2020年6月23日完成組網。

第一顆北斗在準備升空

北斗與GPS、伽利略、格洛納斯的分佈

北斗系統已經到第三代了

歷年北斗的發射情況

北斗的全球定位精度10米，亞太5米，這些都是民用精度

GPS的全球定位精度7.8米

伽利略的全球三維定位精度8米，水平精度4米

格洛納斯的全球三維定位精度10-15米，水平精度4-7米

北斗和GPS一樣，基於高度精確同步的時鐘信號，地面接收機根據視界內若干衞星信號的時間差，可以推算出自己的位置。所以時間信號越精確，同步程度越高，衞星導航越精確。這就是首先用北斗衞星作為激光星地和星際通信試驗的原因。 “對錶”越頻繁，同步程度越高，激光的頻率大大高於無線電，據説用激光通信後，北斗的定位精度可提高40倍，軍民用意義不言而喻。

但激光通信最終還是要用於通信的，而通信終端必須要能在城市應用，光能在荒郊僻野使用是不夠的。長春光機所的實驗特意在城市地區進行，光污染、空氣擾動更加嚴重，但解決問題後，實用意義也更大。設備可用一輛小型車輛載運，機動性很好。

這也是通信、標校一體的，這是自適應的關鍵。大氣湍流效應造成的波前畸變、光斑彌散、光斑抖動使得不僅標校的激光通信的誤碼率較高，但在正常通信的同時，發送標準的標校信號，接收端就根據畸變情況，自動補償通信信號，這就是前面提到的自適應技術。這是激光通信實用化的關鍵。報導指出，長春光機所用電控變形的反光鏡控制光路，補償畸變影響。

還用上了量子通信中的相關技術，以提高數據率。中國在量子通信方面是世界領先的。墨子1號衞星在2016年達到5.1GB/秒的速度，天宮2號則首次完成晝間天地激光通信。2019年，西南地面站從實踐20號實現10GB/秒的下載速度。北斗的激光通信只可能達到相當高的數據率水平。

但北斗畢竟不是通信衞星。常用的赤道同步軌道通信衞星離地面36000公里，即使解決數據率問題，也不可能解決上行和下行需要0.2秒的本質滯後問題，這是電磁波傳遞速度決定的。低軌道小衞星可以大大減少這個滯後，400公里以下的低軌道通信小衞星只有赤道同步軌道通信衞星的滯後的1/100，這對低滯後通信和遙控是關鍵的。

馬斯克的SpaceX計劃發射大量小衞星，組成“星鏈”（StarLink），在理論上可以用手機通過星鏈直接通話，但星鏈的數據率只有200GB/秒。用於本地（同意中國也計劃發射自己的星鏈，但將採用激光通信。如果不是直接星地激光通信的話，至少星際中繼通信用激光，可以極大地提高星鏈的數據率和信道容量。不管馬斯克的星鏈是否在中國星鏈之前實現，激光星鏈是高一個層次的技術。

不過在現階段，星地和星際激光都還是試驗性的，還是一個星地對和一個星際對之間的。對於星鏈來説，星地對和星際對都需要多對多才有實用價值。好在光波也是電磁波的一種，激光也有類似相控陣那樣的技術。液晶路線的工作電壓低、偏轉角度大，但響應速度慢；鋯鈦酸鉛鑭陶瓷(PLZT)材料正好相反。還有新穎的光波導相控陣和微機電相控陣，前者與半導體技術緊密結合，後者則“簡單粗暴”、更加直接。

但對於星地對來説，激光的高度方向性既是優點，也是缺點，用户需要把接受端精確對準衞星才能接受到信號，低軌道小衞星是在快速移動的，進一步提高難度。如果星地對像馬斯克的星鏈一樣用高頻無線電，星際用激光，依然可以達到很高的體系速度，還降低了終端的技術要求，未必不是有效的折衷。

中國還計劃主導激光星地和星際通信的國際標準，這是中國在科技上領導世界的必須。

NASA如果試驗成功星地激光通信，一定會有“中又輸”的驚人之論。沒問題，悄悄樂就行了，反正已經贏麻了。