太空激光：瞄准全球通信的下一个飞跃

2024-06-25 15:41

太空激光技术正以前所未有的方式改变世界，这不仅仅是科幻小说中的遥远未来，而是今天数据和通信流动的现实写照。从深空探索到地球上的广泛应用，如消费者互联网服务、军事行动和银行交易，它都发挥着关键作用。

激光技术凭借其光速传输的特性，能够在远距离上实现大量数据的快速传输，速度比传统太空传输快达100倍。

光束的极度狭窄的特性，确保了通信的高效性，高度聚焦的光束能够精准地瞄准接收器，从而极大地减少了光束发散和信号损失，同时允许降低功耗。

然而，这种狭窄的激光束也带来了技术上的巨大挑战。在空间激光通信中，由于终端在不同速度和方向上移动，校准远距离的发射器和接收器需要极高的精度，其难度堪比在100英里外精准投进三分球。

为了克服这些挑战，工程师们开发了由极其敏感的传感器控制的快速转向镜（FSM）。这些系统能够精确地将光束保持在卫星对卫星、地面对卫星链路以及深空通信的目标上，极大地推动了全球数据流的增长。

这些技术进步使我们离所谓的“银河互联网”（The Galactic Network）更近了一步。这一富有想象力的概念，最初由J. C. R. Licklider在20世纪60年代初提出，旨在构建一个向所有人开放的数字“网络”，作为政府、机构、企业和个人信息交互的主要媒介。

自由空间光学

在互联网发展的早期，大多数数据通过铜线传输，依赖于无处不在的电话网络。但随着互联网的发展，特别是从文本为主的电子邮件到图像、视频和游戏的转变，标准的56.6波特拨号调制解调器已无法满足需求。为了跟上数据流量的巨大增长，互联网服务提供商和骨干网络急需新的传输方法。

幸运的是，与互联网发展同步，光子学领域也在探索光传输数据的技术。这一方法比铜线传输更快、更远。1960年，第一个连续工作的氦氖气体激光器问世，十年后，康宁玻璃工厂的科学家发明了超透明玻璃，可制成低损耗光纤。1977年，光纤开始在公共电话网络上传输业务，随后在1986年，斯普林特公司部署了第一个全国性的100%数字光纤网络。

光纤的传输速度可达每秒60太比特，比铜线快700多倍，且数据质量优越，不受电磁干扰和射频干扰的影响。1986年，掺铒光纤放大器（EDFA）的发明进一步增加了光信号在不需电子中继器的情况下传输的距离，使光纤成为洲际海底电缆的实用和经济之选。如今，水下光缆承载着全球95%的数据流量，每根光纤的带宽超过1太赫兹，比铜线高出1000倍。

尽管光纤在远距离传输上表现出色，但激光在自由空间光学领域的应用仍然面临挑战。数千公里的距离上获取和保持视线连接十分困难，需要极高的精度来瞄准发射机和接收机。主卫星和航天器在相对于彼此和地面站的不同方向上高速移动，要求系统能够快速平稳地调整。此外，高精度部件必须能够承受航天发射的严格要求和恶劣的空间环境。

为了实现这一目标，快速转向镜依赖于精确的位置数据来快速调整反射镜的位置，通常由电磁音圈驱动。非常灵敏的传感器能够精确测量镜面位置，在亚微米范围内具有极高的分辨率。该系统的设计确保传感器性能不受空间环境中剧烈温度波动的影响，通过采用涡流技术的电子匹配传感器，成对地放置在反射镜枢轴点的两侧，以提供精确的x-y倾斜/尖端位置数据。

面向未来

展望未来，Kaman Precision Products通过其测量业务线，在30多年前就开发了差分位置测量系统。该公司不断完善这些产品的性能，以满足空间和国防市场日益增长的需求。

目前，其产品线包括多款卓越产品，如KD-5100系列，具有超过100克的TID能力和丰富的30年太空遗产，以及DIT5200L，一个低噪音、经济实惠且适用于低轨道的系统。此外，还有新推出的数字KD-5690系统，为未来的空间通信提供了更多可能性。