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激光传输解释：在太空探索期间传输数据意味着什么 |
| 发布时间：2024/5/8 |
科幻小说的世界对激光着迷，但真正的科学家在现实生活中并不落后于太远，从观察细胞反应到尝试在地球上进行类似太阳的聚变，将其部署到各处。然而，地球上的居民需要激光才能进入太空深处并揭开那里的神秘面纱。不幸的是，凭借现有的通信技术，这些崇高的目标是不可能实现的。以1977年发射、目前漂浮在星际空间的航海者号探测器为例。 当它停在木星的后院时，它的最大传输速率刚刚超过100kbps，而现在，这个数字刚刚超过160bps。建立从地球到探测器的单向链接需要近一天的时间。说它的速度慢得令人难以忍受是轻描淡写的，尤其是在某些亿万富翁正在制造声称可以前往其他恒星系统的火箭的时代。即使我们正在谈论太空探索并实现人类的星际殖民梦想，更快、高带宽的通信也是必要的。 深空激光通信是一种在探索深空的航天器和地球站之间无线发送信息的方式。它使用激光传输包含图片、视频和声音文件等重要信息的电信号。使用激光器进行通信具有多种优势，例如实现更快的数据传输速率、更高的连接可靠性以及更灵活的网络选项。更重要的是，与无线电相比，激光通信设备体积小、重量轻，并且使用的功率更小。 激光传输如何工作？ 激光通信使用红外光而不是无线电波。由于红外光的频率要高得多，因此每秒可以编码更多的数据。这使得“太空宽带”能够支持需要发送大量数据的任务，例如行星和卫星的详细图像和扫描。激光传输的数据量是当前无线电系统的100到1,000倍，例如从拨号互联网切换到宽带互联网。 另一个好处是激光发射器和接收器比巨大的无线电天线更小、更轻，这对于降低发射成本和提高航天器的灵活性至关重要。激光需要的功率也更少，因为光束不会像无线电波那样扩散并浪费能量。这种效率意味着更小的电池和太阳能电池板，这对于人类探索任务非常重要。以 LADEE 飞行器上的月球激光通信空间终端 (LLST) 为例：激光通信系统有一个小型4英寸望远镜，整个套件相当轻，仅重65磅。 激光束也比无线电信号更难拦截或干扰，这使得它们更加安全。随着我们开发更先进的仪器来捕获高分辨率数据，进行更多的远程控制实验，并探索更深入的太空，这种高数据速率能力将至关重要。最后，他们还解决了拥堵问题。现在有数千颗新卫星被发射到太空中，它们都需要使用不同的无线电波频率。激光通信不使用无线电波，因此避免了过度拥挤的情况。 NASA 在激光通信方面的工作 美国宇航局历来都相信无线电波可以与航天器进行通信，但随着我们需要发送越来越多的数据（例如高分辨率图像和视频），无线电波变得越来越紧张。与我们在地球上从拨号上网升级到高速光纤互联网的方式不同，自20世纪50年代以来，航天器通信的数据传输速率没有出现类似的跳跃。 然而，航天局多年来一直在探索光通信或激光传输，但直到2013年才取得第一个被证实的突破。同年10月，月球激光通信演示（LLCD）系统搭载在月球大气和尘埃环境探测器（LADEE）卫星上，以622Mbps的速度将数据从月球轨道传输到地球上的一个站。 美国宇航局 这是第一个技术证据，证明高速率、无差错、双向激光通信是可行的。上传速度峰值为20Mbps，但并没有那么高。值得注意的是，从地面站传输的图像是《蒙娜丽莎》画作的灰度数字副本，但未来的测试也将包括宠物媒体。 将位于加利福尼亚州的 NASA 喷气推进实验室的光通信望远镜实验室之间的信息传输到大约239,000英里外月球轨道上的浮动计算机是一项不小的成就。当时，这是有史以来最长的双向激光通信。随后，2014年进行了激光通信科学光学有效载荷 (OPALS) 实验。 激光传输技术的重要里程碑 LLCD 的成功是一个重要的里程碑，但不仅仅是快速传输，它还展示了另一项技术胜利。与类似的无线电通信系统相比，激光通信设备的重量只有一半，所需的功率也少得多，仅消耗约75%的能量。随后，NASA 于2021年进行了激光通信中继演示 (LCRD)，这是该机构的第一个端到端激光通信中继系统，能够以每秒1.2吉比特的速率传输数据。 与此同时，在2022年，研究人员详细介绍了一种使用神秘的玻色-爱因斯坦凝聚体 (BEC)（一种独特的物质状态）制成的特殊激光器，它利用了原子运动作为波的优势。该系统本质上是一种基于物质的激光器，理论上将永远持续下去。一年后，NASA 的 LCRD 与空间站上的 ILLUMA-T（集成 LCRD 低地球轨道用户调制解调器和放大器终端）系统实现了首次数据交换链路。两者之间的数据交换速度现在超过1Gbps。 同年，25磅重的 太字节红外传输 (TBIRD) 有效载荷（属于 NASA 探路者技术演示计划的一部分）在轨道上的传输速率接近每秒100吉比特。2024年4月，小行星 Psyche 航天器上的深空光通信 (DSOC) 套件成功以约25Mbps 的速率从大约1.4亿英里之外发送数据包。 据NASA称，这个数字可能听起来很小，但它仍然“比当今深空任务使用的最先进的射频系统快10到100倍” 。当 Psyche 飞船与地球的距离达到最大时，激光通信系统的信号需要大约20分钟才能返回地球。 激光通信的未来 今年早些时候，NASA还通过跟踪深空光通信（DSOC）系统的激光信号，成功测试了深空站13号实验天线。这种天线很特别，因为它既可以接收无线电信号，也可以接收激光信号。值得庆幸的是，未来还有更多潜力。作为 Artemis II 任务的一部分，猎户座 Artemis II 光通信系统 (O2O) 将为月球表面基于激光的通信奠定基础，预计将于2024年底发射。“O2O 以每秒260兆比特的速度发射能够从月球发送4K 高清视频，”项目经理 Steve Horowitz 说道。 除了发送媒体资产外，O2O 系统还将实现猎户座航天器和地球之间其他关键数据的交换，例如操作程序、图像、飞行计划信息、通信和语音通信。依靠4英寸望远镜，O2O 模块也将标志着激光通信首次应用于载人航天任务。 O2O（猎户座阿耳忒弥斯二号光通信系统）终端将有助于通过红外光信号传输超高清视频片段，在地球和阿耳忒弥斯二号宇航员绕月飞行时提供前所未有的视觉连接。2026年，NASA 的 Psyche 任务将抵达其天体目标——一颗距地球1.5亿英里的小行星。它将携带DSOC有效载荷，测试激光通信能力以应对深空探索带来的挑战。 |
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