百公里“穿杨”之外，不掉线面临更大挑战
在茫茫太空中，距离遥远的一颗卫星发射的激光又如何能够抵达另一颗卫星的接收设备中呢？
“以行云天基物联网的星座为例，两颗星之间的距离平均为数千公里，并且会相对快速移动。”杜利说。想象一盏高瓦数、不发散的射灯，准确地在几百公里外，穿进一枚铜币的中心，这枚铜币和射灯本身还在快速运行中，其难度甚于“百米穿杨”千百倍。
不只如此，仅仅完成建立联系的瞬间精准还只是第一步，稳定地在严苛的太空环境下保持均一、持续的联系，不掉线也对星间激光通信设备提出了更高要求。
杜利介绍，建立星间通信链路并保持链路稳定是一项最关键的技术。两颗卫星始终处于相对高速运动，要成功建链并保持稳定需要几大步骤，即瞄准、捕获和跟踪。
瞄准是指激光终端需要瞄着某个方向发射信标光，以便对方能接收。为了相互瞄准，A星和B星需要预先知道什么时刻开始瞄准，对方在什么时刻会出现在哪个空间位置，光束从己方射出到达对方需要多长时间，“它们约定某时刻开始工作后，双方需基于自身姿轨控、地面遥测遥控和对方卫星轨道预报等信息，实时计算对方星体的相对位置（相对角度），向对方所处区域发射信标光。当发射信标光不足以覆盖对方星体所处的不确定范围时，还需使用信标光束扫描该区域。”杜利解释。
信标光束犹如“信号弹”让彼此定位，如果入射的信标光均能进入A星和B星激光接收机的探测视场内，即实现了双向捕获。捕获过程会包括粗调，即接收系统将计算光斑质心与接收光学系统光轴标志点的脱靶量，驱动接收光学系统的粗瞄机构作偏转运动，使入射光斑质心向光轴标志点方向运动。
跟踪则可视为“细调”“矫正”。当捕获模式中的光斑逐步接近标志点时，系统切换为跟踪模式，利用更小的窗口不断快速计算脱靶量，并实时反馈给跟瞄执行机构，以使入射光斑质心始终保持在光轴标志点附近。
“星间激光通信是极远距离、极弱信号的探测，其技术难点来自于超远的距离、链路的动态变化和复杂的空间环境。”杜利说，由于距离超远，星间激光通信技术要求发展同时具备功率大、功耗低、线宽窄和温度稳定性好的激光器模块，超高灵敏度的光电探测器，以及高速光电转换器件。
也就是说，要实现星间激光通信，硬件的高灵敏、高精确是基础，而算法的迅速和准确是保障，经过软、硬件的协同发展和磨合将逐步提高星间激光通信技术的高反应速度和高精度，例如实现建链时间的秒量级，光束对准精度在几微弧度之内。以上仅仅是星间的“一对一”通信，对于星间激光组网而言，还需考虑多路接入、路由切换和空间网络交换等问题。
“对于商用激光通信星座而言，还需要考量性能和成本的协调发展，需要解决的将不仅是科学问题，还有与不同行业的匹配、兼容等问题。”杜利表示，星间激光通信作为一种高速数据传输手段，在需要快速回传卫星数据的场合，例如灾情采集、应急通信、敌情侦察、卫星导航等，激光链路可以提供很好的实时性；在需要传输大容量数据的场合，例如全球测绘、气象探测等，激光链路可以提供很好的稳定性。通过星间激光通信技术构建的星间通信骨干网，将有望变革未来空间通信技术，为未来高速、高通量天地一体化通信网络的建设奠定基础。
（记者：张佳星）