После более чем года испытаний на орбите Китай достиг значительного прорыва в тестировании лазерной связи между Землей и Луной. Исследователи успешно создали двустороннюю лазерную линию связи на расстоянии около 400 000 километров между этими небесными телами, что стало первым случаем такого высокоскоростного лазерного соединения между ними.
Этот успех знаменует собой существенный шаг вперед для китайских космических лазерных коммуникаций, расширяя их применение из околоземной орбиты в окололунную среду. Лазерная связь передает информацию с помощью лазерных лучей и имеет ряд преимуществ перед традиционной микроволновой связью, включая большую пропускную способность, более высокие скорости передачи данных, улучшенную точность наведения и повышенную безопасность. Кроме того, оборудование более компактное и легкое, что позволяет осуществлять высокоскоростную двустороннюю связь с гибкой передачей и приемом.
Однако увеличение расстояния передачи порождает серьезные технические трудности. Ян Лэй, исследователь из Технологического и инженерного центра по использованию космоса при Китайской академии наук (CAS) и руководитель команды эксперимента по лазерной связи, отметил, что «связь в дальнем космосе может охватывать сотни тысяч километров, что предъявляет чрезвычайно строгие требования к точности наведения луча. Когда лазерный сигнал преодолевает такое большое расстояние до земли, он сильно ослабевает, становясь крайне слабым и трудно обнаруживаемым. В то же время, технологии высокоскоростной передачи сталкиваются с ограничениями, что затрудняет достижение более высоких скоростей передачи».
Первым главным препятствием стало обеспечение точного наведения на сверхбольшом расстоянии. Связь между Землей и Луной сравнивалась с «продеванием иголки через тысячи миль»: требуется направлять чрезвычайно узкий луч света на быстро движущуюся цель на расстоянии около 400 000 километров. Даже минимальное угловое отклонение на передающей стороне может привести к ошибке позиционирования в несколько километров к моменту достижения луча предполагаемого приемника.
Чтобы решить эту проблему, исследовательская группа разработала инновационный подход к двустороннему захвату и отслеживанию, предназначенный для сверхбольших расстояний и крайне слабых сигналов. Систематически рассчитывая и калибруя целый ряд факторов — включая орбиты спутников, ошибки монтажа и деформации телескопов, атмосферную рефракцию и время распространения лазера — команда смогла обеспечить точное совмещение как орбитальных спутников, так и наземных телескопов во время движения, гарантируя, что лазерный луч точно достиг своей цели.
После решения проблемы наведения команда столкнулась с другим препятствием: обнаружением и идентификацией крайне слабых сигналов. К моменту, когда лазер преодолевал около 400 000 километров до земли, его сигнал ослаб до нескольких фотонов, оставив наземный телескоп с очень малым количеством сигнала для регистрации. Одновременно с этим помехи от лунного света, звездного света и городских огней еще больше усложняли отделение полезного сигнала — это было сродни попытке услышать падение иголки посреди шумного города за тысячи миль.
Для борьбы с этим команда внедрила ультрачувствительные детекторы, способные фиксировать отдельные фотоны, и разработала сложные алгоритмы обработки сигналов. Эти технологии позволили команде отфильтровать огромные объемы шума и точно извлечь полезный сигнал.
Скорость передачи данных также требовала соответствия. После достижения стабильного приема сигнала команда продолжила повышать эффективность обработки данных. Первоначально эксперимент достиг скорости восходящего канала 1,25 Мбит/с и скорости нисходящего канала 100 Мбит/с. Ян пояснил: «Возьмите изображение поверхности Луны в разрешении 8K. Передача его по обычной микроволновой линии связи со скоростью 5 Мбит/с заняла бы четыре-пять минут. При лазерной связи со скоростью 100 Мбит/с это занимает всего около 12 секунд».
Эксперимент руководил Технологическим и инженерным центром по использованию космоса при участии Zhejiang Lab, Юньнаньских обсерваторий при CAS и Шанхайского института микросистем и информационных технологий при CAS. Ян заключил: «Теперь запущена «информационная супермагистраль» Земля-Луна. В дальнейшем мы сможем получать более научно оригинальные наборы данных». Он добавил, что возможности высокоскоростной передачи информации, обеспечиваемые разработанными технологиями, также станут новым средством высокоскоростной передачи информации для пилотируемых лунных миссий Китая, развития лунной исследовательской станции и исследования дальнего космоса, что будет способствовать достижению более оригинальных научных результатов в космической науке и приложениях Китая.