有了它，4K超清直播看登月有希望了

抬頭看浩瀚宇宙時(shí)，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(yuǎn)的距離會(huì)不會(huì)給數(shù)據(jù)傳輸造成困難？

傳統(tǒng)深空通信：要想信號(hào)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(jìn)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(hào)、電視信號(hào)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(jìn)行通信。有了無線射頻發(fā)射系統(tǒng)，深空探測(cè)器才能與地球進(jìn)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(hào)”冥王星探測(cè)器為例，從距離地球73億公里外傳回?cái)?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(gè)月的時(shí)間。

了解了“無線射頻發(fā)射系統(tǒng)”，我們?cè)倩氐缴羁胀ㄐ疟旧?。從原理上講，深空通信有兩個(gè)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(dá)接收器，接收器將電磁波進(jìn)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(shí)，也意味著要壓縮帶寬，每秒傳輸速率就會(huì)受到限制。

安裝在國際空間站上的ILLUMA-T激光解調(diào)裝置

（圖片來源：NASA）

我們不可能一味地?cái)U(kuò)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(dá)到7000多噸，伺服機(jī)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)

（圖片來源：NASA）

想看4K高清登月視頻？激光通信來幫你

美國宇航局啟動(dòng)了一項(xiàng)從太空到地面進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的革命性方式——激光通信中繼演示項(xiàng)目（簡(jiǎn)稱LCRD）。2021年12月7日，該項(xiàng)目進(jìn)入工程驗(yàn)證階段。

實(shí)驗(yàn)在3.5萬公里的地球同步軌道進(jìn)行。具體實(shí)施方案為：將STPSat-6探測(cè)器送入軌道，使用空對(duì)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(yàn)證經(jīng)過改良的激光通信技術(shù)。

LCRD演示項(xiàng)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(jìn)行激光通信。

LCRD演示項(xiàng)目是NASA第一顆雙向光通信中繼衛(wèi)星，其前身是2013年啟動(dòng)的月球激光通信演示（LLD），后者驗(yàn)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(jìn)行了提升。

2013年啟動(dòng)的月球激光通信演示項(xiàng)目，驗(yàn)證了地月激光通信的可行性

（圖片來源：NASA）

美國宇航局這次進(jìn)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(gè)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(jìn)行了實(shí)時(shí)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(jìn)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(dāng)于同時(shí)傳輸100多個(gè)高清電視頻道。

這次進(jìn)行的激光通信中繼演示項(xiàng)目的目的是實(shí)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(shì)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(cè)器和宇航員共同對(duì)太陽系內(nèi)各個(gè)天體進(jìn)行探索。

登月直播有盼頭，但還任重而道遠(yuǎn)

激光通信最現(xiàn)實(shí)的意義就是，我們有機(jī)會(huì)能看到重返月球的過程。月球距離我們大約38萬公里，對(duì)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(shí)況轉(zhuǎn)播將變得更加清晰，相當(dāng)于看一場(chǎng)高清直播。

當(dāng)然，空間激光通信也有缺點(diǎn)。與傳統(tǒng)的航天器射頻通信所不同的是，光信號(hào)無法穿透云層。這意味著，如果要進(jìn)行天基激光對(duì)地通信，就需要建立多個(gè)中繼站，避免因?yàn)樘鞖庠驅(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(gè)地面站，就是看中了這里云層少的特點(diǎn)。

位于夏威夷的激光通信地面接收裝置

（圖片來源：NASA）

而且，激光通信的發(fā)展才在初級(jí)階段，射頻通信不用擔(dān)心會(huì)被取代。激光通信可以補(bǔ)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(qiáng)大。嚴(yán)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(jìn)行的測(cè)試，也僅僅是激光通信的初級(jí)階段，只有在地月系統(tǒng)內(nèi)建立完善的連接機(jī)制，才能推廣到其他深空任務(wù)中。

NASA激光通信演示衛(wèi)星

（圖片來源：NASA）

在延長(zhǎng)通信距離的時(shí)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(shí)候信號(hào)延遲是4分鐘左右，距離地球最遠(yuǎn)的時(shí)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(duì)延遲所帶來的其他影響。

激光通信前景大好，實(shí)時(shí)操控不是夢(mèng)

在后期應(yīng)用方面，激光通信還能拓展到對(duì)小行星、太陽系更遠(yuǎn)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(hào)傳輸?shù)降厍颍@樣地面上的科學(xué)家就能對(duì)遙遠(yuǎn)天體上的登陸裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)操控，從本質(zhì)上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制。這種應(yīng)用場(chǎng)景適合對(duì)地外天體表面進(jìn)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(duì)火星地下溶洞進(jìn)行實(shí)時(shí)勘探。

隨著天體一體化信息網(wǎng)絡(luò)趨勢(shì)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(dāng)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(xiàng)目，比如航空運(yùn)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(dòng)態(tài)衛(wèi)星激光組網(wǎng)，擴(kuò)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(dòng)態(tài)衛(wèi)星激光組網(wǎng)，擴(kuò)大天基信息業(yè)務(wù)的范圍

（圖片來源：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(hào)傳輸，相關(guān)的高速通信實(shí)驗(yàn)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(gè)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(shí)現(xiàn)載人登月。隨著激光通信技術(shù)的不斷成熟，相信屆時(shí)也會(huì)應(yīng)用到載人登月領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)中國登月的實(shí)時(shí)直播。

參考文獻(xiàn)：

[1]激光通信中繼演示項(xiàng)目主頁：

https://www.nasa.gov/mission_pages/tdm/lcrd/index.html

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

https://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/lcrd_fact_sheet.pdf

[3]鄭運(yùn)強(qiáng),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(jìn)展和趨勢(shì)以及關(guān)鍵技術(shù)[J/OL].紅外與激光工程:1-15[2021-12-17].