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激光傳輸解釋：在太空探索期間傳輸數(shù)據(jù)意味著什么 |
| 發(fā)布時(shí)間：2024/5/8 |
科幻小說(shuō)的世界對(duì)激光著迷，但真正的科學(xué)家在現(xiàn)實(shí)生活中并不落后于太遠(yuǎn)，從觀察細(xì)胞反應(yīng)到嘗試在地球上進(jìn)行類似太陽(yáng)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(jìn)入太空深處并揭開那里的神秘面紗。不幸的是，憑借現(xiàn)有的通信技術(shù)，這些崇高的目標(biāo)是不可能實(shí)現(xiàn)的。以1977年發(fā)射、目前漂浮在星際空間的航海者號(hào)探測(cè)器為例。 當(dāng)它停在木星的后院時(shí)，它的最大傳輸速率剛剛超過(guò)100kbps，而現(xiàn)在，這個(gè)數(shù)字剛剛超過(guò)160bps。建立從地球到探測(cè)器的單向鏈接需要近一天的時(shí)間。說(shuō)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(wàn)富翁正在制造聲稱可以前往其他恒星系統(tǒng)的火箭的時(shí)代。即使我們正在談?wù)撎仗剿鞑?shí)現(xiàn)人類的星際殖民夢(mèng)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(wú)線發(fā)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(hào)。使用激光器進(jìn)行通信具有多種優(yōu)勢(shì)，例如實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸速率、更高的連接可靠性以及更靈活的網(wǎng)絡(luò)選項(xiàng)。更重要的是，與無(wú)線電相比，激光通信設(shè)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(wú)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(shù)據(jù)。這使得“太空寬帶”能夠支持需要發(fā)送大量數(shù)據(jù)的任務(wù)，例如行星和衛(wèi)星的詳細(xì)圖像和掃描。激光傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量是當(dāng)前無(wú)線電系統(tǒng)的100到1,000倍，例如從撥號(hào)互聯(lián)網(wǎng)切換到寬帶互聯(lián)網(wǎng)。 另一個(gè)好處是激光發(fā)射器和接收器比巨大的無(wú)線電天線更小、更輕，這對(duì)于降低發(fā)射成本和提高航天器的靈活性至關(guān)重要。激光需要的功率也更少，因?yàn)楣馐粫?huì)像無(wú)線電波那樣擴(kuò)散并浪費(fèi)能量。這種效率意味著更小的電池和太陽(yáng)能電池板，這對(duì)于人類探索任務(wù)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(tǒng)有一個(gè)小型4英寸望遠(yuǎn)鏡，整個(gè)套件相當(dāng)輕，僅重65磅。 激光束也比無(wú)線電信號(hào)更難攔截或干擾，這使得它們更加安全。隨著我們開發(fā)更先進(jìn)的儀器來(lái)捕獲高分辨率數(shù)據(jù)，進(jìn)行更多的遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)，并探索更深入的太空，這種高數(shù)據(jù)速率能力將至關(guān)重要。最后，他們還解決了擁堵問(wèn)題?，F(xiàn)在有數(shù)千顆新衛(wèi)星被發(fā)射到太空中，它們都需要使用不同的無(wú)線電波頻率。激光通信不使用無(wú)線電波，因此避免了過(guò)度擁擠的情況。 NASA 在激光通信方面的工作 美國(guó)宇航局歷來(lái)都相信無(wú)線電波可以與航天器進(jìn)行通信，但隨著我們需要發(fā)送越來(lái)越多的數(shù)據(jù)（例如高分辨率圖像和視頻），無(wú)線電波變得越來(lái)越緊張。與我們?cè)诘厍蛏蠌膿芴?hào)上網(wǎng)升級(jí)到高速光纖互聯(lián)網(wǎng)的方式不同，自20世紀(jì)50年代以來(lái)，航天器通信的數(shù)據(jù)傳輸速率沒(méi)有出現(xiàn)類似的跳躍。 然而，航天局多年來(lái)一直在探索光通信或激光傳輸，但直到2013年才取得第一個(gè)被證實(shí)的突破。同年10月，月球激光通信演示（LLCD）系統(tǒng)搭載在月球大氣和塵埃環(huán)境探測(cè)器（LADEE）衛(wèi)星上，以622Mbps的速度將數(shù)據(jù)從月球軌道傳輸?shù)降厍蛏系囊粋€(gè)站。 美國(guó)宇航局 這是第一個(gè)技術(shù)證據(jù)，證明高速率、無(wú)差錯(cuò)、雙向激光通信是可行的。上傳速度峰值為20Mbps，但并沒(méi)有那么高。值得注意的是，從地面站傳輸?shù)膱D像是《蒙娜麗莎》畫作的灰度數(shù)字副本，但未來(lái)的測(cè)試也將包括寵物媒體。 將位于加利福尼亞州的 NASA 噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的光通信望遠(yuǎn)鏡實(shí)驗(yàn)室之間的信息傳輸?shù)酱蠹s239,000英里外月球軌道上的浮動(dòng)計(jì)算機(jī)是一項(xiàng)不小的成就。當(dāng)時(shí)，這是有史以來(lái)最長(zhǎng)的雙向激光通信。隨后，2014年進(jìn)行了激光通信科學(xué)光學(xué)有效載荷 (OPALS) 實(shí)驗(yàn)。 激光傳輸技術(shù)的重要里程碑 LLCD 的成功是一個(gè)重要的里程碑，但不僅僅是快速傳輸，它還展示了另一項(xiàng)技術(shù)勝利。與類似的無(wú)線電通信系統(tǒng)相比，激光通信設(shè)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(jìn)行了激光通信中繼演示 (LCRD)，這是該機(jī)構(gòu)的第一個(gè)端到端激光通信中繼系統(tǒng)，能夠以每秒1.2吉比特的速率傳輸數(shù)據(jù)。 與此同時(shí)，在2022年，研究人員詳細(xì)介紹了一種使用神秘的玻色-愛(ài)因斯坦凝聚體 (BEC)（一種獨(dú)特的物質(zhì)狀態(tài)）制成的特殊激光器，它利用了原子運(yùn)動(dòng)作為波的優(yōu)勢(shì)。該系統(tǒng)本質(zhì)上是一種基于物質(zhì)的激光器，理論上將永遠(yuǎn)持續(xù)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(diào)制解調(diào)器和放大器終端）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了首次數(shù)據(jù)交換鏈路。兩者之間的數(shù)據(jù)交換速度現(xiàn)在超過(guò)1Gbps。 同年，25磅重的 太字節(jié)紅外傳輸 (TBIRD) 有效載荷（屬于 NASA 探路者技術(shù)演示計(jì)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(fā)送數(shù)據(jù)包。 據(jù)NASA稱，這個(gè)數(shù)字可能聽(tīng)起來(lái)很小，但它仍然“比當(dāng)今深空任務(wù)使用的最先進(jìn)的射頻系統(tǒng)快10到100倍” 。當(dāng) Psyche 飛船與地球的距離達(dá)到最大時(shí)，激光通信系統(tǒng)的信號(hào)需要大約20分鐘才能返回地球。 激光通信的未來(lái) 今年早些時(shí)候，NASA還通過(guò)跟蹤深空光通信（DSOC）系統(tǒng)的激光信號(hào)，成功測(cè)試了深空站13號(hào)實(shí)驗(yàn)天線。這種天線很特別，因?yàn)樗瓤梢越邮諢o(wú)線電信號(hào)，也可以接收激光信號(hào)。值得慶幸的是，未來(lái)還有更多潛力。作為 Artemis II 任務(wù)的一部分，獵戶座 Artemis II 光通信系統(tǒng) (O2O) 將為月球表面基于激光的通信奠定基礎(chǔ)，預(yù)計(jì)將于2024年底發(fā)射。“O2O 以每秒260兆比特的速度發(fā)射能夠從月球發(fā)送4K 高清視頻，”項(xiàng)目經(jīng)理 Steve Horowitz 說(shuō)道。 除了發(fā)送媒體資產(chǎn)外，O2O 系統(tǒng)還將實(shí)現(xiàn)獵戶座航天器和地球之間其他關(guān)鍵數(shù)據(jù)的交換，例如操作程序、圖像、飛行計(jì)劃信息、通信和語(yǔ)音通信。依靠4英寸望遠(yuǎn)鏡，O2O 模塊也將標(biāo)志著激光通信首次應(yīng)用于載人航天任務(wù)。 O2O（獵戶座阿耳忒彌斯二號(hào)光通信系統(tǒng)）終端將有助于通過(guò)紅外光信號(hào)傳輸超高清視頻片段，在地球和阿耳忒彌斯二號(hào)宇航員繞月飛行時(shí)提供前所未有的視覺(jué)連接。2026年，NASA 的 Psyche 任務(wù)將抵達(dá)其天體目標(biāo)——一顆距地球1.5億英里的小行星。它將攜帶DSOC有效載荷，測(cè)試激光通信能力以應(yīng)對(duì)深空探索帶來(lái)的挑戰(zhàn)。 |
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