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本帖最后由 晨枫 于 2021-12-7 22:10 编辑 ( ?9 E$ \( [) L9 T7 n8 j
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有谁没事看中科院的公告网站吗？估计没有。头条、微博、微信上的八卦好玩多了。知道吗，李湘离婚啦。不过，科学院的公告有时候还是蛮有意思的。这不，11月25日消息：长春光机所为北斗全球系统研制的大型激光通信标校设备完成星地试验，完成了高轨道和中轨道星载终端的信标和信号的双向跟踪、自适应校正及光纤耦合、上行和下行通信和星载端机参数的标校。
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6 t! M" d. s5 Y7 h4 b激光比无线电的频率更高，方向性更好，除非两束激光交会了，否则同样频率的激光束可以各用各的，不会互相干扰。激光通信具有高速率、高保密性和无须频率申请许可等优点，特别适合卫星数据中继、高速数传、卫星通信网络。大口径激光通信标校设备是激光通信网络中的关键装置，但大气湍流效应造成的波前畸变、光斑弥散、光斑抖动等现象导致单模光纤接收的高速相干光通信较为困难。长春光机所用自适应技术解决了这些问题，波前校正精度优于λ/8（λ=1550nm），校正前后耦合效率得到大幅提升，在城市大气湍流条件下实现了星地下行相干光通信。0 j/ V6 t9 S) @- m5 \- A4 {
' g# l `* A4 {# w' e长春光机所的装置达到通信和标校一体化，信号光和信标光均为收发分立口径，可实现全双工相干高速通信，采用后光路（包含自适应系统）放置于机上的设计方式，适合车载使用，便于机动布站。试验中实现了地面同高轨道卫星间粗跟踪的秒通，并持续整个弧段的稳定双向跟踪。目前，设备已完成地面对中轨道卫星、高轨道卫星多次试验任务。下一步：实用化、产品化。
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说了半天，这是干什么用的呢？
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卫星通信已经有很长历史了，但一直有带宽瓶颈。这可以从香农定理什么的说起，但说白了，就是有多宽的路跑多大流量的交通。单车道只能走那么多车，双车道就可以加倍，车道越宽能走的车越多。通信带宽也一样，带宽越宽，通信容量越大。带宽与频率成正比，适合卫星通信的无线电频率只有几个常用的波段。频率越高，带宽越大，天线尺寸越小，但受大气影响越大；频率较低，受大气影响小，但带宽也小，天线尺寸较大。两头兼顾的频率就是现在常用的频率，但这也决定了卫星通信的带宽受到限制，在话音通信和电视转播为主的时代，还够用，但在数据通信时代，带宽就不够用了。5 n6 C3 V. T' U% z
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光的频率大大高于无线电，激光通信的容量和数据率成数量级地高于无线电。激光通信还有方向性好，波束窄，只要不在直视视线内，几乎不可能截听，自然也难以干扰。激光通信的设备也非常紧凑，大口径只是相对于常规光学镜头尺寸而言，而常规的卫星通信用1米天线已经是较小的，早期卫星电视需要3米天线，地面站则是10米起跳。激光的功耗也低于无线电。+ X" c+ L, V2 d. d+ ~ d2 C
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这些特点不是秘密，问题和高频无线电一样，而且更大，这正是波前畸变、光斑弥散、光斑抖动等问题。但问题越大，回报也越大。通常的卫星通信速率在KB/秒级，激光通信可以达到GB/秒级。这是电话线拨号上网和光纤宽带上网的差别。NASA在11月29日宣布，在两年延迟后，将在12月发射试验卫星，进行激光通信实验，目标数据传输速率2.8GB/秒。中国又领先了，不过北斗激光通信的技术细节和性能数据并没有透露。激光通信的理论极限是TB/秒级。1 j% M% N. r1 J" M3 P% _9 q
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北斗已经是世界上最大的卫星导航系统，在轨卫星数量达到35颗，超过美国的GPS的31颗。GPS全部是中轨道卫星，北斗不同，有中轨道和高轨道两种，而且除了导航，还有短信功能，这事独特的。$ f8 | H- z1 a" V$ ]9 r
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北斗1的覆盖地区
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北斗2的覆盖地区
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第一代北斗卫星在2000-03年间发射，共有4颗，都是高轨道的，在赤道同步轨道运行，覆盖中国及周边地区，现在已全部退役。第二代北斗卫星在2004-12年间发射，覆盖亚太地区，共有4颗赤道同步卫星，5颗倾斜同步卫星，5颗中轨道卫星，已有部份开始退役。第三代北斗，覆盖全球，共有3颗赤道同步卫星，3颗倾斜同步卫星，24颗中轨道卫星，在2020年6月23日完成组网。+ P9 n k$ E) L9 `# R1 U
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第一颗北斗在准备升空
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8 e% y# I7 r' r北斗与GPS、伽利略、格洛纳斯的分布
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北斗系统已经到第三代了1 [8 |( m$ l3 p+ Q
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历年北斗的发射情况
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北斗在中国境内的地面站' N8 n+ u3 u6 n# y0 q# m
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7 W$ y; L! G0 H& X4 D1 m( x& L8 ?北斗的全球定位精度10米，亚太5米，这些都是民用精度5 @: I1 c& J; ~ {2 b
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GPS的全球定位精度7.8米
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- [8 q! m0 R1 y5 K伽利略的全球三维定位精度8米，水平精度4米4 k* ?" C q( T7 H
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) H/ |0 k2 [" {; l1 S0 S) Q) v/ r格洛纳斯的全球三维定位精度10-15米，水平精度4-7米
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北斗和GPS一样，基于高度精确同步的时钟信号，地面接收机根据视界内若干卫星信号的时间差，可以推算出自己的位置。所以时间信号越精确，同步程度越高，卫星导航越精确。这就是首先用北斗卫星作为激光星地和星际通信试验的原因。 “对表”越频繁，同步程度越高，激光的频率大大高于无线电，据说用激光通信后，北斗的定位精度可提高40倍，军民用意义不言而喻。
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% D# L6 R0 v7 }# N; z但激光通信最终还是要用于通信的，而通信终端必须要能在城市应用，光能在荒郊僻野使用是不够的。长春光机所的实验特意在城市地区进行，光污染、空气扰动更加严重，但解决问题后，实用意义也更大。设备可用一辆小型车辆载运，机动性很好。
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这也是通信、标校一体的，这是自适应的关键。大气湍流效应造成的波前畸变、光斑弥散、光斑抖动使得不仅标校的激光通信的误码率较高，但在正常通信的同时，发送标准的标校信号，接收端就根据畸变情况，自动补偿通信信号，这就是前面提到的自适应技术。这是激光通信实用化的关键。报导指出，长春光机所用电控变形的反光镜控制光路，补偿畸变影响。) V) [: B1 @$ l
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还用上了量子通信中的相关技术，以提高数据率。中国在量子通信方面是世界领先的。墨子1号卫星在2016年达到5.1GB/秒的速度，天宫2号则首次完成昼间天地激光通信。2019年，西南地面站从实践20号实现10GB/秒的下载速度。北斗的激光通信只可能达到相当高的数据率水平。
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但北斗毕竟不是通信卫星。常用的赤道同步轨道通信卫星离地面36000公里，即使解决数据率问题，也不可能解决上行和下行需要0.2秒的本质滞后问题，这是电磁波传递速度决定的。低轨道小卫星可以大大减少这个滞后，400公里以下的低轨道通信小卫星只有赤道同步轨道通信卫星的滞后的1/100，这对低滞后通信和遥控是关键的。
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马斯克的SpaceX计划发射大量小卫星，组成“星链”（StarLink），在理论上可以用手机通过星链直接通话，但星链的数据率只有200GB/秒。用于本地（同意中国也计划发射自己的星链，但将采用激光通信。如果不是直接星地激光通信的话，至少星际中继通信用激光，可以极大地提高星链的数据率和信道容量。不管马斯克的星链是否在中国星链之前实现，激光星链是高一个层次的技术。
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, l' f) ~/ [* j不过在现阶段，星地和星际激光都还是试验性的，还是一个星地对和一个星际对之间的。对于星链来说，星地对和星际对都需要多对多才有实用价值。好在光波也是电磁波的一种，激光也有类似相控阵那样的技术。液晶路线的工作电压低、偏转角度大，但响应速度慢；锆钛酸铅镧陶瓷(PLZT)材料正好相反。还有新颖的光波导相控阵和微机电相控阵，前者与半导体技术紧密结合，后者则“简单粗暴”、更加直接。
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: ]; }% O$ m3 K- u但对于星地对来说，激光的高度方向性既是优点，也是缺点，用户需要把接受端精确对准卫星才能接受到信号，低轨道小卫星是在快速移动的，进一步提高难度。如果星地对像马斯克的星链一样用高频无线电，星际用激光，依然可以达到很高的体系速度，还降低了终端的技术要求，未必不是有效的折衷。9 ]) @5 J8 A0 _" I) c; x9 ~% @
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中国还计划主导激光星地和星际通信的国际标准，这是中国在科技上领导世界的必须。
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; ?8 x' _3 K6 _& ~+ ^3 C* a- ^NASA如果试验成功星地激光通信，一定会有“中又输”的惊人之论。没问题，悄悄乐就行了，反正已经赢麻了。# F$ A) |$ |; Y! r V- b
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