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空间激光通信,话宇专栏丨波音太空激光通信布局新进展

今年 3 月,Bridgesat 公司宣布与 NASA
达成一项协议,或可为未来空间任务中使用基于激光的商业通信系统开辟道路。该协议要求在今年年底前完成地面站演示,并在明年
5 月完成在轨试验。
同时,BridgeSat 公司还为 ICEYE
商用卫星雷达星座提供激光终端和数据服务。

  “科普中国-军事科技前沿”原创作品,转载请注明来源。

按照传统通信系统模型来看,它的基本框架是:信源-发送器-传输系统-接收器-信宿。传输系统(信道),也就是我们所说的传输媒体所构成的系统模型。由于信号在信道中的传输是单向性的,而且会受到噪声的影响与干扰,所以,恰当选择传输媒体,对提高信号传输的性能,即可靠性和有效性,有着极其重要的意义。通信质量取决于信号的特性和传输媒体的性质,关键就是能否匹配好信号频谱特性和信道传输特性。传输媒体从狭义上来说,指的是发送器与接收器之间的传输系统,它针对的是信号;从广义上来说,指的是信源和信宿之间的系统,它针对的是信息。我们将传输媒体分为导向和非导向两种,二者的区别分别为受制于媒体自身特性和受制于信号本身。导向与非导向也就是我们常说的有线通信和无线通信。有线通信分为双绞线、同轴电缆、架空明线和光纤四类。光导纤维,也就是光纤,是一种能够传导光信号的极细(50μm~100μm)而柔软的介质。光纤的横截面为圆形,从外到内由三部分组成:外壳、包层、纤芯。三者的光学性能不同:纤芯常由二氧化硅构成,为光通路;。包层由多层反射玻璃纤维构成,目的是将光线反射到纤芯上。从传输点模数来分,光纤可以分为单模和多模两种传输方式,单模提供单条光通路;多模光纤,即发散为多路光波,每一路光波走一条通路。单模光纤因为衰减小而具有更大的容量,但是它的生产要比多模光纤昂贵。光纤在任何时间都只能单向传输,因此,要实行双向通信,它必须成对出现,一个用于输入,一个用于输出,光纤两端接到光学接口上。

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  作者:瑷敏工作室

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在 HorizonX
最新发布的投资公告中,BridgeSat CEO Barry Matsumori
表示,“随着光学地面站和空间网络的发展,这笔资金的注入将有助于用户尽早的获取高效低价的数据传输服务。”

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光纤有四大显著优点:一、带宽大,容量大。现在,光纤已基本实现工程实用化,不仅能满足电话、数据、文字、图像等综合业务信息的传输需求,而且也适应将来信息化社会的发展。比起其它有线传输方式来说,光纤是目前性能最良好的传输介质,通过频分,时分和波分复用,它将会越来越多的应用在日常生活中。二、损耗小,中继距离长。光纤传输损耗不会随频率和温度改变而改变,所以光纤的安装不需要严格的稳定;而其中继距离长的性能,就可使其应用于海底光缆通信和国防长途通信,这对解决海底通信有着重要的意义。三、抗干扰性好。光纤是绝缘材料,只能导光而不能导电,所以光纤不受电磁干扰,因此,其既可以防止电磁波辐射而受到窃听,又可以防止外部干扰信号的影响,这对提高现代通信的安全性和保密性有极重要的作用。四、体积小,质量轻。由于光纤可进行复用,容量又大,只需要极小极细的光纤就可以传输大量信号,也就降低了运输和搭建等成本。

Bridgesat系统演示

  未来,空间激光通信有望成为星地间数据传输的关键技术,并实现与地面光纤网络的互补,进而建立起包含卫星和大气层内外的立体交叉激光通信网,彻底颠覆现有的全球通信系统,成为满足物联网时代信息传输需求的大带宽高速通信网络。当然,空间激光通信要想加速投入军事应用并进入“寻常百姓家”,还面临着空间传输损耗大、光信号衰减、发射与接收瞄准困难以及超远距离传输等诸多问题。但随着相关技术的不断改进升级,借助空间激光通信实现太空“暗送秋波”终将不是梦。(以上图片来源于网络)

通过有线通信的代表——光纤与无线通信的代表——微波的对比,我们可以看出二者各有自己的优缺点。光纤受制于媒体自身的特性,它要求信号与信道的匹配,是路的概念;而无线通信它凭借的是信号自身的特性,是一种场的概念。这是它们的外观上最基本的差别。随着经济的高速发展,对传输介质的研究也越来越深刻。光纤可以高速、准确的传输信号,而且质量轻、易搭建、造价低,但是正是由于它的这些优点,它也有很大的缺点,那就是不一定能满足构建要求。例如当通信线路要通过某些建筑物、山体、施工挖掘、电缆铺设等工程时,只能绕行,这样既费时又费力,所以,光纤需要自由空间来施展自己的才能。而无线通信就掩盖了这个缺点,它通过选择不同的波来作为载体,可以通过不同的障碍物而自由传输。可是,卫星通信也有很大的缺点。它不是靠实在的介质来传输信号,这样就会有可能产生误差。例如在微波通信中,有时一个天线发射出的信号也会分成几条略有差异的路径到达天线,因而造成失真;在传输过程中,也会相对有线传输受到更大的天气等环境因素的干扰。

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  策划:白璐

按照目前对传输介质的研究水平来看,光纤不论是在民用或是军事上都有极大的应用前景。

(来源:BridgeSat)

  加快实现星“光”闪耀

【编辑推荐】

9 月 10 号,波音公司下属的 HorizonX
投资机构对外宣布了其最新的一项投资计划,以主要投资人的身份完成了卫星通信公司
BridgeSat 1000
万美元的融资,以帮助该公司加速在天地激光数据传输领域的研发进程。

  出品:科普中国

与有线通信相对的就是无限通信,包括无线电波通信,红外通信和微波通信三种。由于它们都是沿直线传播的,都需要在发送方面和接受方面有一条视线通路,所以也称它们为视线媒体。无线电波具有全向性,频率较小;红外线频率最小,常用于与温度有关的事物的探测;微波的频率介于二者间,其具有定向性,主要利用的是它会穿透电离层而进入宇宙空间的特性。现在微波应用最广,主要分为两种类型,即地面微波接力通信和卫星通信。由于微波在空间中是以直线传播的,而地球表面是曲面,所以其在地面的传播距离受到限制。为了增加传输距离,就增大天线塔的高度,塔越高,传输距离越远。地面微波通信有以下主要特点:频率高,带宽大,传输距离远,抗干扰能力强,可靠性高。但正由于其频率高的特性,所以在相邻站点间不能有障碍物,而且容易受到天气的影响而造成失真。卫星通信和地面微波通信的原理类似,其实质是利用位于36000km高空的人造同步地球卫星作为中继的一种微波接力通信。采用三个适当配置的卫星,就可以覆盖全球除两级音区以外的所有地方。卫星通信最大的优点就是通信为面覆盖式的,同步卫星发射的电磁波能辐射到地球的三分之一的区域,因而便于实现多址和移动通信,也便于组成通信网。因此,其广泛应用于传输多路长距离电话、电报、电视等业务,我们在不同的地域,也可以欣赏到其他地区的现场直播。然而,它也有它的缺点,那就是它的延时太大。无论地面上两站的距离有多远,从发射器通过卫星转载到接收器的延时有270us,这相对于其他无线通信要长得多,也正因为如此,卫星通信的保密性也较差。

澳门新匍京客户端下载,当下,NASA
正在进行中的还包括“激光通信中继演示验证”(LCRD)项目和验证超远距离深空激光通信可行性的“深空光学通信”(DSOC)和“一体化射频与光学通信”(IROC)项目。

  空间激光通信的出现,有效解决了无线电通信保密性差、抗干扰能力弱等军事应用短板,或将开启未来空间军事应用数据传输的新时代。同时,空间激光通信在民用领域也将大有可为,美国国内已有数家商业公司投入巨资开展空间激光通信网络研究及建设,将进一步推动空间激光通信的实用化进程。

那么,如何选择传输信号方式呢?例如:当要建设一栋办公楼时,我们就要选择网络的覆盖方式,是选择铺设高速、轻巧的光纤,还是选择无线网络覆盖:如果我们是定点办公的话,那么我们当然是选择光纤,因为它传输速率极高,稳定;如果需要移动办公的话,那就选择无线通信,这样可以随时随地上网不用受到地点限制,可是这样的话网络就不太稳定。如果选择海底与陆地间通信方式,我们一般选择光纤,虽然这样铺设会需要大量材料,信号会有极大时间的延迟,需要大量人力、物力,可是若选择无线通信的话,由于海水阻力极大,信号会有很大的衰减,导致传输距离极短……频恒通讯技术专家建议,应当按需选择,因地制宜。

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