В космической лазерной связи в качестве носителя информации используются лазеры. По сравнению с традиционной микроволновой связью она предлагает значительные преимущества, в том числе широкую полосу пропускания, высокую скорость, высокую точность направления, высокий уровень безопасности и легкое оборудование. Однако на расстояниях в сотни тысяч километров лазерная связь уже давно сталкивается с тремя основными техническими проблемами, часто называемыми «тремя горами»: чрезвычайная сложность точного выравнивания луча, сильное затухание сигнала и сложность увеличения скорости передачи.
Под руководством Центра космической техники и технологий Китайской академии наук и в сотрудничестве с Чжэцзянской лабораторией, Юньнаньскими обсерваториями и Шанхайским институтом микросистем и информационных технологий исследовательская группа потратила пять лет на преодоление этих трех основных препятствий.
Во-первых, решение «проблемы согласования». Связь с Землей-Луной часто сравнивают с "продеванием иглы на расстоянии 400 000 километров". Даже микроскопическое угловое отклонение на передающем конце может привести к ошибке позиционирования в несколько километров при достижении цели. Чтобы решить эту проблему, команда разработала инновационное решение для двустороннего-захвата и отслеживания, предназначенное для сверх-дальних расстояний и чрезвычайно слабых сигналов. Путем всестороннего расчета и калибровки орбит спутников, ошибок установки и деформации телескопов, атмосферной рефракции и времени-полета-лазера они гарантировали, что спутник и наземный телескоп сохраняют высокую-точность выравнивания во время движения.
Во-вторых, преодоление проблемы «слабого сигнала». Пройдя 400 000 километров, лазерный сигнал, достигающий земли, уменьшается до нескольких фотонов и становится очень чувствительным к помехам от фонового шума, такого как лунный свет, свет звезд и огни города. Чтобы решить эту сложную задачу, команда использовала независимо разработанную высокоскоростную сверхпроводящую технологию обнаружения одиночных-фотонов и ряд сложных, высокочувствительных-алгоритмов обработки сигналов связи. Это позволило им успешно извлечь действительный сигнал из огромного количества шума,-эквивалентного точному слышению падения булавки в шумном, шумном городе на расстоянии тысяч миль.
Наконец, преодоление барьера «медленного общения». Чтобы добиться высоких скоростей передачи данных в условиях чрезвычайно низкого соотношения сигнал-/-шум, команда разработала высокоэффективную технологию обработки данных с высокой-полосой пропускания, способную распознавать время на пикосекундном-уровне. Они использовали-импульсную позиционную модуляцию высокого порядка и высоконадежные схемы обработки сигналов, дополненные стратегиями кодирования с сильной-коррекцией ошибок для борьбы с шумом. Первоначально в ходе этого теста была достигнута скорость восходящей линии связи 1,25 Мбит/с (мегабит в секунду) и скорость нисходящей линии связи 100 Мбит/с. Например, загрузка изображения лунной поверхности с высоким разрешением 8K-при использовании традиционного микроволнового канала со скоростью 5 Мбит/с заняла около 4–5 минут. Благодаря новой лазерной связи класса 100 Мбит/с-время передачи резко сократилось до 12 секунд, а эффективность выросла почти в 20 раз.
В настоящее время эта «информационная супермагистраль» между Землей и Луной полностью создана. По мере того как глобальные исследования Луны и пилотируемые миссии по высадке на Луну ускоряются, окололунное пространство вот-вот испытает «информационный взрыв». Эта недавно созданная двусторонняя высокоскоростная-лазерная линия связи не только обеспечит стабильный и высокоскоростной-новый метод передачи информации для будущих миссий, поддерживая-возврат в реальном времени лунного видео высокого-разрешения и огромных объемов научных данных, но также окажет решительную поддержку Китаю в достижении более оригинальных прорывов в космической науке и ее применениях.
