Через глубокий космос протяжённостью около 400 000 километров луч лазера пронзает пространство между Землёй и лунной орбитой, словно невидимое и неосязаемое оптическое волокно, создавая двусторонний высокоскоростной канал связи между Землёй и Луной. Недавно китайская научно-исследовательская группа успешно завершила испытания двусторонней высокоскоростной лазерной связи между Землёй и Луной, став второй страной в мире, овладевшей технологией лазерной связи в дальнем космосе. Этот значительный прорыв ознаменовал официальный выход китайской космической лазерной связи с околоземной орбиты в окололунное пространство.

Один луч света создаёт невидимую широкополосную линию между Землёй и Луной

Что такое лазерная связь между Землёй и Луной? Проще говоря, это использование лазера в качестве носителя для обмена данными между Землёй и спутником, вращающимся вокруг Луны.

«Этот луч выполняет ту же функцию, что и интернет-кабель, проложенный у вас дома, — оба служат носителем для передачи информации. Это как протянуть невидимое оптоволоконное широкополосное соединение между Землёй и Луной, позволяющее передавать данные на расстояние около 400 000 километров на высокой скорости, поэтому его образно называют "космическим интернет-кабелем"», — сказал Ян Лэй, научный сотрудник Центра космических прикладных инженерных и технологических исследований Китайской академии наук, руководитель научно-исследовательской группы по испытаниям лазерной связи.

Схема двусторонней лазерной связи в масштабе системы Земля — Луна.

Долгое время Китай в исследованиях дальнего космоса полагался главным образом на микроволновую связь для передачи данных, однако пропускная способность микроволновой связи ограничена — это как обычная дорога с ограниченным числом полос: как только аппарат генерирует большое количество изображений и данных наблюдений, канал легко перегружается. «Аппарат может улететь, а ценные данные вернуться не могут» — это стало одним из реальных узких мест, сдерживающих исследования дальнего космоса.

По сравнению с традиционными микроволнами скорость лазерной связи может быть повышена в 10–100 раз, к тому же сфокусированный луч труднее перехватить, что обеспечивает более высокую степень защиты информации; кроме того, бортовое терминальное оборудование имеет малые размеры и вес, что лучше соответствует строгим условиям размещения космической полезной нагрузки.

В связи с этим Ян Лэй пояснил: «Микроволновая связь — это как обычная дорога с ограниченным числом полос, где транспортный поток легко насыщается; лазерная связь — это как многополосная скоростная автомагистраль, способная вместить больше информации, движущейся параллельно без взаимных помех».

Несколько наглядных цифр позволяют ощутить скачок скорости: одна несжатая панорамная 8K-фотография лунной поверхности имеет 33 миллиона пикселей, а исходные данные составляют около 1,2 гигабита. Традиционная микроволновая связь между Землёй и Луной обеспечивает скорость лишь в несколько мегабит в секунду (Мбит/с), и для полной передачи этой фотографии потребовалось бы 4–5 минут. В ходе данных испытаний была достигнута скорость нисходящего канала 100 Мбит/с — для передачи одного снимка аналогичного высокого разрешения требуется всего 12 секунд.

Чтобы проложить невидимую широкополосную линию между Землёй и Луной, необходимо преодолеть три технологические «горы» — сложность наведения, слабость сигнала и медленную передачу.

«Расстояния передачи в дальнем космосе исчисляются сотнями тысяч километров, что предъявляет чрезвычайно высокие требования к точности наведения луча; после передачи на огромное расстояние до Земли лазерный сигнал сильно ослабевает и становится настолько слабым, что его трудно уловить; технологии высокоскоростной передачи ограничены, и скорость передачи долго не удаётся повысить», — сказал Ян Лэй.

Сверхдальнее точное наведение стало первой ключевой проблемой, решённой в ходе данных испытаний. Связь между Землёй и Луной подобна «продеванию нити через десять тысяч ли»: это равносильно тому, чтобы на расстоянии около 400 000 километров точно провести чрезвычайно тонкий луч света через быстро движущееся «игольное ушко». Даже ничтожное угловое отклонение на передающей стороне при достижении окрестностей цели приведёт к ошибке позиционирования в несколько километров.

Для этого научно-исследовательская группа предложила инновационную схему двустороннего захвата и сопровождения, пригодную для сверхдальних расстояний и условий крайне слабого сигнала.

«Мы путём расчёта и системной калибровки таких факторов, как орбита спутника, погрешности установки и деформации телескопа, атмосферная рефракция, время пролёта лазера и другие, обеспечиваем постоянное наведение спутника в космосе и наземного телескопа в движении, чтобы лазер точно попадал в заданную точку», — сказала Чжань Юэин, младший научный сотрудник Центра космических прикладных инженерных и технологических исследований Китайской академии наук.

После решения проблемы наведения возникла следующая задача — распознавание крайне слабого сигнала. Когда лазер, преодолев около 400 000 километров, достигает Земли, сигнал ослабевает настолько, что остаётся всего несколько фотонов, и наземный телескоп может принять лишь ничтожную часть сигнала. В то же время в него примешиваются сигналы лунного света, звёздного света, городского освещения и другие, создавая помехи лазерному сигналу и крайне затрудняя выделение полезного сигнала — это как в шумной сутолоке оживлённого города за тысячу ли отчётливо услышать звук упавшей иголки.

Для решения этой проблемы научно-исследовательская группа применила «сверхчувствительный детектор», способный регистрировать отдельные фотоны, и разработала сложный алгоритм распознавания сигнала, позволяющий точно отфильтровывать полезный сигнал из огромного массива шумов, что позволило успешно преодолеть это узкое место.

На основе стабильного приёма сигнала группа продолжала работу и значительно повысила эффективность обработки данных. В ходе данных испытаний были предварительно достигнуты скорости связи: восходящий канал — 1,25 Мбит/с, нисходящий — 100 Мбит/с.

Сложнее, чем сами испытания, — выдержать в период спада

Поставка аппаратного обеспечения была лишь началом пути. Весь цикл орбитальных испытаний занял более двух лет и, по словам Ян Лэя, сопровождался почти «восемьюдесятью одним испытанием».

В декабре 2021 года группа получила задачу на разработку, и на создание бортовой полезной нагрузки отводилось всего два года. В то время в стране не было зрелого опыта, который можно было бы перенять. Чтобы успеть к окну запуска спутника, группа работала в две смены, непрерывно продвигая интеграцию и испытания. В декабре 2023 года полезная нагрузка была поставлена в срок, все вздохнули с облегчением, ожидая, что она отправится в космос для проведения испытаний.

Однако никто не мог предвидеть, что на этапе запуска спутника произойдёт непредвиденный инцидент: солнечная панель была повреждена, и спутник был вынужден «приступить к работе с травмой».

Ян Лэй до сих пор отчётливо помнит тот момент: когда пришло известие, он только что сошёл с самолёта и сел в такси. «Тогда слёзы невольно потекли».

Более двух лет круглосуточной работы — и словно прилежный абитуриент, который ещё не вошёл в экзаменационный зал, узнаёт, что экзамен отменён. Огромное отчаяние охватило всю команду.

Через несколько дней от специальной группы поступило сообщение, что спасательная операция спутника дала результаты и возможность проведения испытаний всё ещё сохраняется. Однако цена повреждения оказалась чрезвычайно тяжёлой: первоначальное время испытаний резко сократилось.

«Эффективное окно для испытаний сосредоточено лишь в несколько дней в начале и середине лунного месяца. Иногда, когда наконец дожидаешься подходящего дня, на Земле может испортиться погода — дождь или облачность, и испытания приходится отменять», — сказала Чжань Юэин.

К каждой долгожданной возможности провести испытания команда готовилась с полной серьёзностью. Половина сотрудников за полмесяца отправлялась на наземную станцию в Юньнани для подготовки, другая половина оставалась в Пекинском центре управления полётами. По завершении испытаний немедленно проводился разбор всех данных, итеративная оптимизация программных моделей и наземного оборудования, и затем — тихое ожидание следующего окна.

Декабрь 2025 года, на площадке испытаний лазерной связи Земля — Луна в Юньнаньской астрономической обсерватории научные сотрудники в реальном времени наблюдают за рабочим состоянием наземной станции.

Сами испытания были трудными, но ещё труднее было выстоять в период спада. Время шло, и к концу 2025 года орбитальные испытания всё ещё не дали прорывных результатов. Долгое ожидание и повторяющиеся неудачи заставили многих членов команды пасть духом — казалось, что успех недостижим.

Ян Лэй постоянно подбадривал команду: «Мы ранее выполнили две высокорисковые космические задачи, и на начальном этапе всем казалось, что они почти неосуществимы, но в итоге обе были успешно завершены. Сейчас в каждом испытании мы получаем полезные данные, система непрерывно совершенствуется, и если не сдаваться, затраченные усилия в конце концов окупятся».

«Путь далёк, но если идти — дойдёшь; дело трудное, но если делать — сделаешь». В те самые тяжёлые дни Ян Лэй переслал эту фразу в рабочую группу команды, и она стала духовной опорой для всех. Никто не сдался: продолжали циклически проводить анализ, верификацию и оптимизацию, пережили бесчисленные ночные сверхурочные — и наконец встретили тот яркий момент, когда канал связи был успешно установлен. Позже коллеги признавались, что без этой настойчивости команде было бы трудно дотянуть до момента успеха.

Данные испытания стали первым в мире случаем завершения двусторонней лазерной связи на специальной стратегической орбите Земля — Луна. Объективно говоря, по сравнению со зрелой лазерной связью дальнего космоса некоторых стран Китай всё ещё отстаёт по скорости связи и максимальной дальности связи.

«Наша первоочередная цель — подтвердить автономность и управляемость всей системы и её системную целостность, а не гнаться за предельно высокими показателями», — сказал Ян Лэй. Этот прорыв совершил скачок «от 0 к 1», официально выведя китайскую космическую лазерную связь с околоземной орбиты в окололунное пространство и войдя в первую мировую лигу.

Заложить информационную основу для будущих исследований дальнего космоса

Установление первого лазерного канала связи Земля — Луна — лишь отправная точка в создании китайской инфраструктуры дальней космической связи. Ориентируясь на реальные потребности пилотируемой высадки на Луну и строительства лунной научно-исследовательской станции, Ян Лэй отметил, что у команды есть целый ряд чётких целей для прорыва.

Дальнейшее повышение скорости — первоочередная задача. В настоящее время бортовое оборудование уже способно достичь показателей скорости мирового уровня, и команда планирует в течение года провести испытания по повышению скорости. «Однако наземные испытания сильно зависят от погоды: облачность и атмосферные условия влияют на их проведение, конкретные сроки будут определяться метеоусловиями на наземной станции», — признал Ян Лэй. Помимо более высокой скорости, необходимо обеспечить и более высокую стабильность.

Кроме того, в настоящее время испытания в основном ограничены ночным временем, поскольку солнечный свет создаёт сильные помехи. Команда сосредоточила усилия на разработке новых технологий, надеясь снять ограничение по ночному времени и исследовать возможность проведения связи в дневное время и в сложных метеоусловиях, повысить устойчивость системы к сильному свету и атмосферной турбулентности, снизить вероятность разрыва связи и стремиться к длительной непрерывной стабильной связи, чтобы космическая связь, как наземный широкополосный интернет, меньше зависала и реже отключалась.

Что ещё важнее, расстояние Земля — Луна — это лишь начало. Чжань Юэин отметила, что проверенные в ходе данных испытаний технологии высокоточного сопровождения, обнаружения слабых сигналов и высокоскоростной обработки однофотонных сигналов могут быть в дальнейшем распространены на марсианские, астероидные и ещё более далёкие задачи дальнего космоса, что окажет мощную поддержку Китаю в получении большего количества оригинальных научных результатов в исследованиях дальнего космоса.

А более отдалённый грандиозный замысел — эволюция от «одной дороги» к «единой сети».

«Куда доходит наша задача, туда должна быть проложена и информационная магистраль», — сказал Ян Лэй. Данные испытания стали по сути первым шагом к построению сети — сначала установление одиночного канала, затем, с лазерной связью в качестве ядра, переплетение множества каналов и построение полноценной информационной сети Земля — Луна. В настоящее время соответствующие ведомства уже обосновывают создание постоянной опорной сети связи Земля — Луна.

Оглядываясь на этот крупный технологический прорыв, Ян Лэй и Чжань Юэин испытывают одинаковое чувство: ключевые технологии никогда не появляются сами по себе — их создают и завоёвывают. «Перед лицом пробелов в отечественных технологиях нельзя отступать из-за трудностей пути. На пути самостоятельных инноваций вера и практические дела неразделимы: нужно и смело бросать вызов задачам мирового уровня, и твёрдо стоять на земле, шаг за шагом преодолевая реальные трудности», — сказал Ян Лэй.