以激光为“针”，穿过40万公里外的“针孔”

【深一度】

以激光为“针”，穿过40万公里外的“针孔”

——我国首次实现地月双向高速激光通信纪实

光明日报记者 崔兴毅

想象一下：你站在地球上，向40万公里外的月球发射一束激光。这束光要精准打中一颗高速飞行卫星上巴掌大小的接收器，难度堪比从北京瞄准上海一个正在移动的乒乓球……然而，就在不久前，中国科学家做到了！

记者近日从中国科学院空间应用工程与技术中心获悉，我国地月激光通信试验任务取得重要突破，成功在超过40万公里的地月距离上建立起双向激光链路，首次实现地月双向高速激光通信。一张8K分辨率的月面高清图像，用传统微波链路从月球传回地球大约需要4到5分钟；如今借助这条激光链路，只需约12秒。

一束激光跨越40万公里，连通的不只是地球与月球，更是中国深空探测走向更远宇宙的能力之变。

在40万公里外瞄准高速运动的“针孔”

地月间通信可谓是“万里穿针”，要在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”。

激光束本身极窄，而地月相距约40万公里，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。中国科学院云南天文台研究员李语强进一步解释：“空间激光通信的双方距离越远，卫星姿态的微小变化、机械振动及大气扰动都将导致光束漂移更大。我们地面站的跟踪精度要求达到微弧度量级，相当于从北京瞄准上海一个正在移动的乒乓球。”

如何让天上的卫星和地面的望远镜在持续运动中始终相互对准？科研团队创新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。中国科学院空间应用中心研究员、激光通信试验科研团队负责人杨雷介绍，团队综合考虑了卫星轨道、望远镜安装误差、大气折射、激光飞行时间等各种因素。“激光从地面发射到卫星接收，中间大约要飞1.3秒，这1.3秒里卫星已经移动了数公里。我们不是瞄准卫星现在的位置，而是瞄准它1.3秒后将要到达的位置。”这套系统让空间端与地面端在运动中持续保持高精度对准，确保激光与目标同时到达预定区域。

这一“瞄准”能力并非凭空而来。这次试验依托的是运行在远距离逆行轨道（DRO）上的DRO-A卫星。DRO是地月空间中一类特殊的周期轨道，具有低能进入、长期稳定运行等特点。DRO-A/B卫星于2024年发射，曾因上面级异常未能直接进入预定轨道。科研团队随后通过多次轨道机动，将双星送入DRO。此后，DRO-A/B又与近地轨道上的DRO-L建立星间测量通信链路，组成基于DRO的地月空间三星星座，在国际上首次实现基于远距离逆行轨道的地月空间三星星座组网运行。

云南天文台在此次任务中攻克高精度多波束共口径同轴发射、高精度指向修正、双望远镜高精度联动等关键技术，成功捕获来自DRO-A卫星的极微弱激光信号。

有了稳定的轨道平台和精准的捕获跟踪方案，激光这枚“针”才得以穿过40万公里外的“针孔”。

在喧嚣中听清“针”落地的声音

解决对准问题后，新的难题又来了：信号弱得几乎收不到。

激光跨越40万公里抵达地面时，有效信号已经衰减至单光子级别，地面望远镜每次仅能接收到寥寥几个光子。与此同时，月光、星光、城市灯光以及大气散射会形成大量背景噪声。

“精准甄别信号，犹如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。”中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员李浩解释，“单光子是什么概念？普通手机闪光灯一瞬间发出的光子数，比我们一分钟接收到的有效信号光子还要多出几个数量级。”

要在如此极端的信噪比下捕获信号，首先要有一只极其灵敏的“耳朵”。为此，科研团队突破高速超导单光子探测技术。中国科学院上海微系统与信息技术研究所依托多年超导探测技术积淀，自主研发了超导纳米线单光子探测器阵列。

据李浩介绍，这种探测器工作在接近绝对零度的极低温环境下，一根纳米线宽只有头发丝的千分之一，光子打上去，纳米线局部瞬间升温、失去超导态，产生一个可被识别的电脉冲——“就像在漆黑的房间里，感知一只萤火虫飞过”。

当然，光有“耳朵”还不够，还得有“大脑”把信号从噪声中“捞”出来。杨雷打了一个比方：“探测器把光子一个个数出来，但这些光子绝大多数是背景噪声。我们的算法要做的，就是在成千上万个无关光子中，找出那少数几个按约定‘暗号’到达的光子，拼出真正携带的信息。”

团队配套开发了一系列高灵敏度通信信号处理算法，从海量背景噪声中甄别出有效信号。最终，探测硬件与信号算法协同发力，解决了地月超远距离激光信号探测这一核心难题。

12秒传完一张8K月面图的奥秘

信号收到了，还要传得快。

地月距离极远，信号信噪比极低，传输速率长期难以提升。杨雷解释其中的技术逻辑：“光子到达时间是随机的，噪声光子会严重干扰有效信号的时序判断。我们突破了皮秒级时间识别技术（1皮秒相当于一万亿分之一秒），能够在极短的时间窗口内精确判定光子到达时刻，从而在极低信噪比条件下实现高码率数据传输。”

团队同时采用高阶脉冲位置调制和高可靠信号处理方案，通过强纠错编码策略对抗噪声干扰，确保海量探测数据能够以高速度、低误码率传回地面。

本次试验初步实现上行1.25兆比特每秒（Mbps）、下行100Mbps的双向通信速率。杨雷举了一个直观的例子：“以一幅8K月面高清图像为例，用传统5Mbps微波链路下传约需4到5分钟；换成百Mbps激光通信后，只要约12秒。”

他补充说：“未来如果传输月球科研站的高清视频、科学实验数据流，传统微波链路的带宽瓶颈会立刻显现，激光通信的价值就在于把瓶颈变成通途。”

“目前地月之间的‘信息高速路’已经打通，未来我们将会获取到更多、更有原创价值的科学数据。”杨雷表示，相关技术形成的地月空间轻量化、小尺寸、低功耗、高速率的信息传输能力，将为中国载人登月、月球科研站建设和深空探测提供高速信息传输新手段。

《光明日报》（2026年08月31日 08版）

来源： 光明网-《光明日报》