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激光傳輸解釋：在太空探索期間傳輸數據意味著什么 |
| 發布時間：2024/5/8 |
科幻小說的世界對激光著迷，但真正的科學家在現實生活中并不落后于太遠，從觀察細胞反應到嘗試在地球上進行類似太陽的聚變，將其部署到各處。然而，地球上的居民需要激光才能進入太空深處并揭開那里的神秘面紗。不幸的是，憑借現有的通信技術，這些崇高的目標是不可能實現的。以1977年發射、目前漂浮在星際空間的航海者號探測器為例。 當它停在木星的后院時，它的最大傳輸速率剛剛超過100kbps，而現在，這個數字剛剛超過160bps。建立從地球到探測器的單向鏈接需要近一天的時間。說它的速度慢得令人難以忍受是輕描淡寫的，尤其是在某些億萬富翁正在制造聲稱可以前往其他恒星系統的火箭的時代。即使我們正在談論太空探索并實現人類的星際殖民夢想，更快、高帶寬的通信也是必要的。 深空激光通信是一種在探索深空的航天器和地球站之間無線發送信息的方式。它使用激光傳輸包含圖片、視頻和聲音文件等重要信息的電信號。使用激光器進行通信具有多種優勢，例如實現更快的數據傳輸速率、更高的連接可靠性以及更靈活的網絡選項。更重要的是，與無線電相比，激光通信設備體積小、重量輕，并且使用的功率更小。 激光傳輸如何工作？ 激光通信使用紅外光而不是無線電波。由于紅外光的頻率要高得多，因此每秒可以編碼更多的數據。這使得“太空寬帶”能夠支持需要發送大量數據的任務，例如行星和衛星的詳細圖像和掃描。激光傳輸的數據量是當前無線電系統的100到1,000倍，例如從撥號互聯網切換到寬帶互聯網。 另一個好處是激光發射器和接收器比巨大的無線電天線更小、更輕，這對于降低發射成本和提高航天器的靈活性至關重要。激光需要的功率也更少，因為光束不會像無線電波那樣擴散并浪費能量。這種效率意味著更小的電池和太陽能電池板，這對于人類探索任務非常重要。以 LADEE 飛行器上的月球激光通信空間終端 (LLST) 為例：激光通信系統有一個小型4英寸望遠鏡，整個套件相當輕，僅重65磅。 激光束也比無線電信號更難攔截或干擾，這使得它們更加安全。隨著我們開發更先進的儀器來捕獲高分辨率數據，進行更多的遠程控制實驗，并探索更深入的太空，這種高數據速率能力將至關重要。最后，他們還解決了擁堵問題。現在有數千顆新衛星被發射到太空中，它們都需要使用不同的無線電波頻率。激光通信不使用無線電波，因此避免了過度擁擠的情況。 NASA 在激光通信方面的工作 美國宇航局歷來都相信無線電波可以與航天器進行通信，但隨著我們需要發送越來越多的數據（例如高分辨率圖像和視頻），無線電波變得越來越緊張。與我們在地球上從撥號上網升級到高速光纖互聯網的方式不同，自20世紀50年代以來，航天器通信的數據傳輸速率沒有出現類似的跳躍。 然而，航天局多年來一直在探索光通信或激光傳輸，但直到2013年才取得第一個被證實的突破。同年10月，月球激光通信演示（LLCD）系統搭載在月球大氣和塵埃環境探測器（LADEE）衛星上，以622Mbps的速度將數據從月球軌道傳輸到地球上的一個站。 美國宇航局 這是第一個技術證據，證明高速率、無差錯、雙向激光通信是可行的。上傳速度峰值為20Mbps，但并沒有那么高。值得注意的是，從地面站傳輸的圖像是《蒙娜麗莎》畫作的灰度數字副本，但未來的測試也將包括寵物媒體。 將位于加利福尼亞州的 NASA 噴氣推進實驗室的光通信望遠鏡實驗室之間的信息傳輸到大約239,000英里外月球軌道上的浮動計算機是一項不小的成就。當時，這是有史以來最長的雙向激光通信。隨后，2014年進行了激光通信科學光學有效載荷 (OPALS) 實驗。 激光傳輸技術的重要里程碑 LLCD 的成功是一個重要的里程碑，但不僅僅是快速傳輸，它還展示了另一項技術勝利。與類似的無線電通信系統相比，激光通信設備的重量只有一半，所需的功率也少得多，僅消耗約75%的能量。隨后，NASA 于2021年進行了激光通信中繼演示 (LCRD)，這是該機構的第一個端到端激光通信中繼系統，能夠以每秒1.2吉比特的速率傳輸數據。 與此同時，在2022年，研究人員詳細介紹了一種使用神秘的玻色-愛因斯坦凝聚體 (BEC)（一種獨特的物質狀態）制成的特殊激光器，它利用了原子運動作為波的優勢。該系統本質上是一種基于物質的激光器，理論上將永遠持續下去。一年后，NASA 的 LCRD 與空間站上的 ILLUMA-T（集成 LCRD 低地球軌道用戶調制解調器和放大器終端）系統實現了首次數據交換鏈路。兩者之間的數據交換速度現在超過1Gbps。 同年，25磅重的 太字節紅外傳輸 (TBIRD) 有效載荷（屬于 NASA 探路者技術演示計劃的一部分）在軌道上的傳輸速率接近每秒100吉比特。2024年4月，小行星 Psyche 航天器上的深空光通信 (DSOC) 套件成功以約25Mbps 的速率從大約1.4億英里之外發送數據包。 據NASA稱，這個數字可能聽起來很小，但它仍然“比當今深空任務使用的最先進的射頻系統快10到100倍” 。當 Psyche 飛船與地球的距離達到最大時，激光通信系統的信號需要大約20分鐘才能返回地球。 激光通信的未來 今年早些時候，NASA還通過跟蹤深空光通信（DSOC）系統的激光信號，成功測試了深空站13號實驗天線。這種天線很特別，因為它既可以接收無線電信號，也可以接收激光信號。值得慶幸的是，未來還有更多潛力。作為 Artemis II 任務的一部分，獵戶座 Artemis II 光通信系統 (O2O) 將為月球表面基于激光的通信奠定基礎，預計將于2024年底發射。“O2O 以每秒260兆比特的速度發射能夠從月球發送4K 高清視頻，”項目經理 Steve Horowitz 說道。 除了發送媒體資產外，O2O 系統還將實現獵戶座航天器和地球之間其他關鍵數據的交換，例如操作程序、圖像、飛行計劃信息、通信和語音通信。依靠4英寸望遠鏡，O2O 模塊也將標志著激光通信首次應用于載人航天任務。 O2O（獵戶座阿耳忒彌斯二號光通信系統）終端將有助于通過紅外光信號傳輸超高清視頻片段，在地球和阿耳忒彌斯二號宇航員繞月飛行時提供前所未有的視覺連接。2026年，NASA 的 Psyche 任務將抵達其天體目標——一顆距地球1.5億英里的小行星。它將攜帶DSOC有效載荷，測試激光通信能力以應對深空探索帶來的挑戰。 |
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