抬頭看浩瀚宇宙時，你是否曾好奇，太空中執(zhí)行任務(wù)的航天員和飛行器如何與地面聯(lián)系？遙遠的距離會不會給數(shù)據(jù)傳輸造成困難？

傳統(tǒng)深空通信：要想信號好，天線不能短

　　在介紹深空通信前，我們得先了解一下深空通信所使用的“無線射頻發(fā)射系統(tǒng)”。所謂的射頻發(fā)射系統(tǒng)，指的是能進行射頻通信的裝置，用于空間通信的無線電頻譜主要集中在30MHz至30GHz。這部分頻譜覆蓋了部分微波通信和短波通信，主要用于衛(wèi)星信號、電視信號傳輸?shù)取?/p>

　　執(zhí)行深空任務(wù)的航天器一般使用2.02至2.30 GHz的頻段進行通信。有了無線射頻發(fā)射系統(tǒng)，深空探測器才能與地球進行聯(lián)系，包括傳輸數(shù)據(jù)等。

　　這種通信方式的問題很明顯：數(shù)據(jù)接收速度慢。以“新視野號”冥王星探測器為例，從距離地球73億公里外傳回數(shù)據(jù)，下行速度只有每秒1-4KB，數(shù)據(jù)全部傳輸完畢大約需要20個月的時間。

　　了解了“無線射頻發(fā)射系統(tǒng)”，我們再回到深空通信本身。從原理上講，深空通信有兩個核心要素：發(fā)射器和接收器。

　　發(fā)射器將經(jīng)過調(diào)制的信息編碼到電磁波上，改變波的特性，“嵌入”相關(guān)數(shù)據(jù)。電磁波穿過空間抵達接收器，接收器將電磁波進行解調(diào)和解碼，從而獲得發(fā)送者的信息。

　　使用無線射頻發(fā)射系統(tǒng)，為了提高信噪比，需要使用更大口徑的天線。但是提高信噪比的同時，也意味著要壓縮帶寬，每秒傳輸速率就會受到限制。

　　安裝在國際空間站上的ILLUMA-T激光解調(diào)裝置

　?。▓D片來源：NASA）

　　我們不可能一味地擴大天線口徑，美國宇航局深空網(wǎng)使用了70米的天線，重量已經(jīng)達到7000多噸，伺服機構(gòu)也非常龐大。因此，要增大帶寬，使其每秒可以承載更多的數(shù)據(jù)，就需要改變通信方式。

　　位于澳大利亞堪培拉的堪培拉深空通信中心射電天線，改變通信方式才能承載更多的數(shù)據(jù)

　?。▓D片來源：NASA）

想看4K高清登月視頻？激光通信來幫你

　　近日，美國宇航局啟動了一項從太空到地面進行數(shù)據(jù)通信的革命性方式——激光通信中繼演示項目（簡稱LCRD）。2021年12月7日，該項目進入工程驗證階段。

　　實驗在3.5萬公里的地球同步軌道進行。具體實施方案為：將STPSat-6探測器送入軌道，使用空對地激光連接夏威夷和加州兩處地面站，利用國際空間站上的光學(xué)終端接收和傳輸數(shù)據(jù)，驗證經(jīng)過改良的激光通信技術(shù)。

　　LCRD演示項目的光學(xué)模塊，用來發(fā)射紅外激光

　　（圖片來源：NASA）

　　如果高軌激光通信能夠成功，那么在低于同步軌道的位置上也能進行激光通信。

　　LCRD演示項目是NASA第一顆雙向光通信中繼衛(wèi)星，其前身是2013年啟動的月球激光通信演示（LLD），后者驗證了空間激光傳輸?shù)目尚行?，而前者則將空間激光的傳輸速度從數(shù)億比特提升到10億比特，在帶寬上進行了提升。

　　2013年啟動的月球激光通信演示項目，驗證了地月激光通信的可行性

　?。▓D片來源：NASA）

　　美國宇航局這次進行的激光通信中繼演示可以說是打開了未來空間通信的大門，意味著深空通信技術(shù)將發(fā)生大幅度的變化。

　　舉個例子，阿波羅登月期間，登月飛船使用射頻系統(tǒng)將登月狀態(tài)進行了實時傳輸，地面只能接收到顆粒狀的黑白視頻。如果使用激光傳輸，那么可從月球軌道上傳回4K高清的登月視頻。從傳輸速率上看，通過不可見的紅外激光器發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)傳輸速率是傳統(tǒng)航天器射頻通信系統(tǒng)的10到100倍。

　　2013年進行的月球激光通信演示已經(jīng)證明，我們能夠以每秒數(shù)億比特的速率從月球向地球傳輸數(shù)據(jù)，相當于同時傳輸100多個高清電視頻道。

　　這次進行的激光通信中繼演示項目的目的是實現(xiàn)每秒1.2吉比特（gigabit）的速率，以這種速度傳輸，我們可以在一分鐘內(nèi)從同步軌道上傳回一部電影。

　　與射頻系統(tǒng)相比，激光通信系統(tǒng)更小、更輕，且功耗更低，這些優(yōu)勢與更高帶寬相結(jié)合的話，就可以在極大程度上幫助無人探測器和宇航員共同對太陽系內(nèi)各個天體進行探索。

登月直播有盼頭，但還任重而道遠

　　激光通信最現(xiàn)實的意義就是，我們有機會能看到重返月球的過程。月球距離我們大約38萬公里，對于每秒接近30萬公里的光速而言，可以說察覺不到明顯的延遲。這樣一來，登月的實況轉(zhuǎn)播將變得更加清晰，相當于看一場高清直播。

　　當然，空間激光通信也有缺點。與傳統(tǒng)的航天器射頻通信所不同的是，光信號無法穿透云層。這意味著，如果要進行天基激光對地通信，就需要建立多個中繼站，避免因為天氣原因?qū)е峦ㄐ胖袛唷Ｃ绹詈骄诌x擇加州平頂山和夏威夷阿卡拉兩個地面站，就是看中了這里云層少的特點。

　　位于夏威夷的激光通信地面接收裝置

　?。▓D片來源：NASA）

　　而且，激光通信的發(fā)展才在初級階段，射頻通信不用擔(dān)心會被取代。激光通信可以補充無線電通信的不足，讓深空任務(wù)的通信能力變得更加強大。嚴格意義上說，深空通信要超過200萬公里，美國宇航局在同步軌道、月球軌道上進行的測試，也僅僅是激光通信的初級階段，只有在地月系統(tǒng)內(nèi)建立完善的連接機制，才能推廣到其他深空任務(wù)中。

　　NASA激光通信演示衛(wèi)星

　?。▓D片來源：NASA）

　　在延長通信距離的時候，延遲的問題難以避免。比如，把宇航員送到火星上登陸，火星距離地球最近的時候信號延遲是4分鐘左右，距離地球最遠的時候延遲大約24分鐘。顯然，我們得首先確保激光通信在傳輸上的穩(wěn)定性，才能應(yīng)對延遲所帶來的其他影響。

激光通信前景大好，實時操控不是夢

　　在后期應(yīng)用方面，激光通信還能拓展到對小行星、太陽系更遠天體的探索任務(wù)中。除了基本的傳輸數(shù)據(jù)外，還能將3D高清視頻信號傳輸?shù)降厍颍@樣地面上的科學(xué)家就能對遙遠天體上的登陸裝置進行實時操控，從本質(zhì)上實現(xiàn)遠程監(jiān)視和控制。這種應(yīng)用場景適合對地外天體表面進行無人著陸器勘察，甚至可以利用射頻與激光結(jié)合的方式，對火星地下溶洞進行實時勘探。

　　隨著天體一體化信息網(wǎng)絡(luò)趨勢的臨近，傳統(tǒng)的微波通信方式受到帶寬、速率的限制，越來越難滿足當下的多媒體業(yè)務(wù)需求，激光通信也正在成為取代微波通信的最優(yōu)方案之一。尤其是在大型空天項目，比如航空運輸、航天發(fā)射等重大應(yīng)用方面，激光通信技術(shù)還能構(gòu)建高動態(tài)衛(wèi)星激光組網(wǎng)，擴大天基信息業(yè)務(wù)的范圍。

　　激光通信技術(shù)還能構(gòu)建高動態(tài)衛(wèi)星激光組網(wǎng)，擴大天基信息業(yè)務(wù)的范圍

　?。▓D片來源：NASA）

　　值得一提的是，中國的北斗衛(wèi)星和地面站之間也使用激光信號傳輸，相關(guān)的高速通信實驗已經(jīng)完成，速度比5G網(wǎng)絡(luò)還要快。

　　在不久的將來，我國將擁有世界上首個覆蓋全球的激光通信網(wǎng)絡(luò)，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模應(yīng)用也即將到來。近日，關(guān)于新一代重型火箭正在研發(fā)的消息也被央視等媒體披露，這意味著我國有可能在不久的將來實現(xiàn)載人登月。隨著激光通信技術(shù)的不斷成熟，相信屆時也會應(yīng)用到載人登月領(lǐng)域，實現(xiàn)對中國登月的實時直播。

參考文獻：

　　[1]激光通信中繼演示項目主頁

　　[2] NASA’S NEXT STEP IN OPTICAL COMMUNICATIONS（美國宇航局在光學(xué)通信方面規(guī)劃）

　　[3]鄭運強,劉歡,孟佳成,王宇飛,聶文超,武軍霞,蔚停停,魏森濤,袁站朝,汪偉,謝小平.空基激光通信研究進展和趨勢以及關(guān)鍵技術(shù)[J/OL].紅外與激光工程:1-15[2021-12-17].