打通地月“信息高速公路”

　　“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。