Die Laserkommunikation im Weltraum nutzt Laser als Informationsträger. Im Vergleich zur herkömmlichen Mikrowellenkommunikation bietet sie erhebliche Vorteile, darunter hohe Bandbreite, hohe Geschwindigkeit, hohe Richtungsgenauigkeit, hohe Sicherheit und leichte Ausrüstung. Über Entfernungen im Weltraum von Hunderttausenden von Kilometern steht die Laserkommunikation jedoch seit langem vor drei großen technischen Herausforderungen, die oft als „drei Berge“ bezeichnet werden: extreme Schwierigkeiten bei der präzisen Strahlausrichtung, starke Signaldämpfung und Schwierigkeiten bei der Erhöhung der Übertragungsraten.
Unter der Leitung des Space Application Engineering and Technology Center der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und in Zusammenarbeit mit dem Zhejiang Lab, den Yunnan Observatories und dem Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology verbrachte das Forschungsteam fünf Jahre damit, diese drei großen Hürden zu überwinden.
Zunächst gilt es, die „Ausrichtungsherausforderung“ zu lösen. Die Kommunikation zwischen Erde und Mond wird oft damit verglichen, „in einer Entfernung von 400.000 Kilometern eine Nadel einzufädeln“. Selbst eine mikroskopische Winkelabweichung auf der Sendeseite kann beim Erreichen des Ziels zu einem Positionsfehler von mehreren Kilometern führen. Um dieses Problem anzugehen, entwickelte das Team eine bidirektionale Erfassungs- und Verfolgungslösung, die für extrem große Entfernungen und extrem schwache Signale ausgelegt ist. Durch die umfassende Berechnung und Kalibrierung von Satellitenumlaufbahnen, Fehlern bei der Installation und Deformation des Teleskops, der atmosphärischen Brechung und der Flugzeit des Lasers stellten sie sicher, dass der Satellit und das Bodenteleskop während der Bewegung eine hochpräzise Ausrichtung beibehielten.
Zweitens: Überwindung des Problems des „schwachen Signals“. Nach einer Reise von 400.000 Kilometern ist das den Boden erreichende Lasersignal auf wenige Photonen reduziert und sehr anfällig für Störungen durch Hintergrundgeräusche wie Mondlicht, Sternenlicht und Stadtlichter. Um diese extreme Herausforderung zu bewältigen, stützte sich das Team auf unabhängig entwickelte supraleitende Hochgeschwindigkeits-Einzelphotonen-Detektionstechnologie und eine Reihe komplexer, hochempfindlicher Kommunikationssignalverarbeitungsalgorithmen. Dies ermöglichte es ihnen, erfolgreich das gültige Signal aus riesigen Mengen an Rauschen zu extrahieren-äquivalent zum genauen Hören einer Stecknadel in einer geschäftigen, lauten Stadt aus Tausenden von Kilometern Entfernung.
Endlich die Barriere der „langsamen Kommunikation“ durchbrechen. Um hohe Datenraten unter extrem niedrigen Signal-{1}}zu-{2}}Verhältnisbedingungen zu erreichen, entwickelte das Team eine hocheffiziente Kommunikationsverarbeitungstechnologie mit hoher Bandbreite und einer Zeiterkennung im Pikosekunden--Bereich. Sie verwendeten Pulspositionsmodulation hoher Ordnung und hochzuverlässige Signalverarbeitungsschemata, ergänzt durch starke Fehlerkorrektur-Codierungsstrategien zur Rauschbekämpfung. Bei diesem Test wurde zunächst eine Uplink-Geschwindigkeit von 1,25 Mbit/s (Megabit pro Sekunde) und eine Downlink-Geschwindigkeit von 100 Mbit/s erreicht. Beispielsweise dauerte das Herunterladen eines hochauflösenden 8K-Mondoberflächenbilds über eine herkömmliche Mikrowellenverbindung mit 5 Mbit/s etwa 4 bis 5 Minuten. Mit der neuen Laserkommunikation der 100-Mbit/s-Klasse wurde die Übertragungszeit drastisch auf nur 12 Sekunden verkürzt, was einer Effizienzsteigerung um fast das Zwanzigfache entspricht.
Derzeit ist diese „Informationsautobahn“ zwischen der Erde und dem Mond vollständig eingerichtet. Während sich die weltweite Monderkundung und bemannte Mondlandemissionen beschleunigen, steht der cislunare Raum kurz vor einer „Datenexplosion“. Diese neu eingerichtete Zwei-Wege-Hochgeschwindigkeits-Laserverbindung wird nicht nur eine stabile und schnelle neue Methode der Informationsübertragung für zukünftige Missionen bieten und die Echtzeitübertragung von hochauflösenden Mondvideos und riesigen Mengen wissenschaftlicher Daten unterstützen, sondern China auch dabei unterstützen, originellere Durchbrüche in der Weltraumwissenschaft und -anwendungen zu erzielen.
