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每日新闻网 > 科技前沿 > 打通地月“信息高速公路”(深度观察·走近太空新基建(上))

打通地月“信息高速公路”(深度观察·走近太空新基建(上))

来源:人民日报 | 时间:2026-09-22 14:56:19 | 点击:138


地月尺度双向激光通信示意图。

2025年12月,在云南天文台地月激光通信试验现场,科研人员实时观测地面站系统工作状态。

以上图片均为中国科学院空间应用工程与技术中心提供

  星空浩瀚无比,探索永无止境。更高速的互联、更精准的感知、更可靠的保障,支撑我国航天事业向更深更远处迈进。

  “十五五”规划纲要提出,适度超前建设新型基础设施,推进信息通信网络、全国一体化算力网、重大科技基础设施等建设和集约高效利用,推进传统基础设施更新和数智化改造。以卫星星座、太空通信、在轨算力等为重要载体,太空新基建不仅是科技竞争的新赛道,也有望成为数字经济的新底座。

  地月通信如何更高效、卫星怎样织就“天网”?本版推出“走近太空新基建”系列报道,介绍我国航天发展的前沿技术,探寻逐梦星空的产业新机遇。

  ——编  者

  跨越约40万公里的深空,一束激光穿梭于地球与月球轨道之间,如同一条看不见摸不着的隐形光纤,搭建起地月双向高速通信链路。近日,我国科研团队成功完成地月双向高速激光通信试验,成为全球第二个掌握深空激光通信技术的国家。这一重大突破,标志着我国空间激光通信正式从近地轨道迈入地月空间。

  一束光,在地月间架起隐形宽带

  什么是地月激光通信?简单来讲,就是以激光作为载体,完成地球与绕月卫星之间的数据交互。

  “这束光起的作用和家里装的网线一样,都是信息传输的载体,就像在地球和月球之间拉了一根隐形的光纤宽带,能让数据在约40万公里距离高速传输,所以又被大家形象地比喻为‘太空网线’。”中国科学院空间应用工程与技术中心研究员、激光通信试验科研团队负责人杨雷说。

  长期以来,我国深空探测主要依靠微波通信开展数据回传,但微波通信带宽有限,如同一条车道有限的普通公路,一旦探测器产生大量图像、观测数据,通道就极易拥堵。“探测器飞得出去,珍贵数据回不来”,成为困扰深空探测的一大现实瓶颈。

  相较传统微波,激光通信速率能够提升10到100倍,且光束集中不易被截获,保密性更强;同时星上终端设备体积小、重量轻,更加适配航天载荷严苛的搭载条件。

  对此,杨雷进一步解释说:“微波通信好比一条普通公路,车道有限,车流量容易饱和;激光通信则像一条多车道高速公路,可以容纳更多的信息并驾齐驱,互不干扰。”

  一组直观数据可以感受速率飞跃:一张不压缩的8K月面全景照片,拥有3300万像素,原始数据约1.2吉比特。传统地月微波通信速率仅有几兆比特每秒(Mbps),完整传输这张图片,要花费4到5分钟。本次试验实现下行100Mbps通信速率,传输一张同等高清图片,仅仅需要12秒。

  在地月间架起隐形宽带,需翻越三座技术“大山”——瞄准难、信号弱、传输慢。

  “深空传输距离动辄数十万公里,对光束瞄准精度要求苛刻;激光信号远距离传输至地面后衰减极强,信号微弱至难以捕捉;高速传输技术受限,传输速度也一直提不上去。”杨雷说。

  超远距离精准瞄准,是本次试验攻克的首要难题。地月间通信好比“万里穿针”:相当于在约40万公里外,将一束极细的光线精准穿过一个高速运动的“针孔”。发射端哪怕出现极其微小的角度偏差,抵达目标附近时也会产生数公里的位置误差。

  为此,科研团队创新性地提出了适用于超远距离、极微弱信号条件的双向捕获跟踪方案。

  “我们通过对卫星轨道、望远镜安装及形变误差、大气折射、激光飞行时间等多种因素的计算和系统校准,让天上的卫星和地面的望远镜在运动中始终对准,确保激光能精准照到预定位置。”中国科学院空间应用工程与技术中心副研究员展月英说。

  攻克瞄准难题后,极弱信号识别的挑战接踵而至。激光跨越约40万公里到达地面时,信号已衰减至仅剩余数个光子,地面望远镜能接收到的信号极少。与此同时,月光、星光、城市灯光等信号也会混入其间,对激光信号形成干扰,让有效信号的甄别难上加难,就像在千里之外喧嚣嘈杂的闹市中,准确听清一根针落地的声音。

  针对这一难题,科研团队用上了能探测单个光子的“超灵敏探测器”,并开发了一套复杂的信号识别算法,从海量噪声中精准筛选,提取有效信号,成功突破瓶颈。

  在实现信号稳定接收的基础上,团队持续攻坚,大幅提升数据处理效率。此次试验初步实现了上行1.25Mbps、下行100Mbps的通信速率。

  比试验更难的,是低谷时期的坚守

  硬件交付,仅仅是闯关的开始。整个在轨测试历时两年多,用杨雷的话说,几乎经历了“九九八十一难”。

  2021年12月,团队接到研制任务,留给星上载荷的研制周期仅有两年。当时,国内没有成熟经验可以借鉴。为赶上卫星发射窗口,团队实行两班倒,连轴推进集成与测试。2023年12月,载荷如期交付,所有人松了一口气,期待它奔赴太空开展试验。

  然而,谁也未曾料到,卫星发射阶段突发意外,太阳能帆板受损,卫星只能“带伤上岗”。

  杨雷至今清晰记得那一刻,消息传来时,他刚下飞机坐上出租车,“当时,眼泪忍不住就流下来了。”

  两年多日夜攻坚,仿佛寒窗苦读的考生,还没有走进考场,就被告知考试取消,巨大绝望笼罩整个团队。

  几天之后,专项组传来消息,卫星救援取得成效,仍旧有开展试验的可能性。但受损带来的代价极为沉重:原本的试验时间锐减。

  “有效试验窗口只集中在农历月初和月中少数几天。有时,好不容易等到符合条件的日子,地面又可能遭遇阴雨天气,试验被迫取消。”展月英说。

  每一次来之不易的试验机会,团队都严阵以待。一半人员提前半个月奔赴云南地面站做准备,另一半留守北京飞控中心。试验结束,立刻复盘全部数据,迭代优化软件模型、地面设备,静静等候下一次窗口期。

  试验本身艰难,比试验更难的,是低谷时期的坚守。时间一点点流逝,到2025年底,在轨试验依旧没有取得突破性进展。漫长的等待和反复失败,让不少团队成员心生沮丧,感觉成功遥遥无期。

  杨雷不断给团队打气:“我们此前完成过两项高风险航天任务,起步阶段大家都觉得几乎不可能实现,最后都圆满完成了。现在每一次试验我们都拿到了有效数据,系统持续迭代改善,只要坚持,付出终会有回报的。”

  “路虽远,行则将至;事虽难,做则必成。”那段最艰难的日子里,杨雷把这句话转发到团队工作群,成为所有人的精神支撑。大家没有选择放弃,坚持循环开展分析、验证、优化,熬过无数通宵加班,终于迎来链路成功打通的高光时刻。事后有同事坦言,如果不是这份坚持,团队很难撑到成功那一刻。

  本次试验是国际上首次在地月特殊战略轨道上完成双向激光通信。客观来看,对比一些国家成熟的深空激光通信,我国在通信速率、最远通信距离方面仍存在差距。

  “当前,我们首要目标是验证整套系统自主可控与体系完整性,不是一味追求极致指标。”杨雷说,这次突破完成“从0到1”跨越,把我国空间激光通信,从近地轨道正式带入地月空间,跻身全球第一梯队。

  铺就未来深空探测的信息底座

  打通地月第一条激光通信链路,只是我国深空信息基础设施建设的起点。面向载人登月、月球科研站建设的现实需求,杨雷表示,团队还有一连串明确的攻坚目标。

  速率的继续提升是首要任务。当前,星上硬件已经具备达到国际领先速率指标的能力,团队计划在年内开展速率升级试验。“但是地面试验受天气制约很大,云层、大气条件都会影响试验开展,具体执行要视地面站气象条件而定。”杨雷坦言,跑得更快之外,还要跑得更稳。

  此外,目前试验大多局限于夜间,太阳光会造成强烈干扰。团队正集中力量攻关新技术,希望打破夜间限制,探索白天、复杂气象条件下开展通信的可能性,提升系统抗强光、抗大气湍流的能力,降低断线概率,朝着长时间连续稳定通信努力,让太空通信像地面宽带一样少卡顿、少掉线。

  更重要的是,地月距离只是起点。展月英表示,此次验证的高精度跟踪、弱信号探测和高速单光子信号处理等技术,可进一步延伸至火星、小行星乃至更远的深空任务,将有力支撑我国深空探测取得更多的原创性科学成果。

  而更长远的宏大蓝图,是从“一条路”进化为“一张网”。

  “我们的任务走到哪里,信息通路就要铺到哪里。”杨雷说,这次试验相当于完成建网第一步——先打通单条链路,然后以激光通信作为核心,多条链路交织,构建完整地月信息网络。目前,相关部门已经在论证常态化地月骨干通信网络。

  回望这次重大技术突破,杨雷、展月英都有着同样的感悟:核心技术,从来不是等出来的,是干出来、闯出来的。“面对国内技术空白,不能因为前路艰难就畏缩止步。自主创新路上,信念与实干缺一不可,既要敢于向世界级难题发起挑战,又要脚踏实地,一步一步啃下现实难题。”杨雷说。

 编辑:王玉西 责任编辑:刘亮


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