太空通讯目前处于什么时代?激光通讯才是王道

文章作者:bianji3 | 2018-04-21
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    无线电波是指在自由空间(包括空气和真空)传播的射频频段的电磁波。无线电波的波长越短、频率越高,相同时间内传输的信息就越多。
    无线电波在空间中的传播方式有以下情况:直射、反射、折射、穿透、绕射(衍射)和散射。

    线电波的速度只随传播介质的电和磁的性质而变化。无线电波在真空中传播的速度,等于光在真空中传播的速度,因为无线电波和光均属于电磁波。无线电波在其他介质中传播的速度为Vε=C/sqrt(ε)。其中ε为传播介质的介电常数。空气的介电常数与真空很接近,略大于1,因此无线电波在空气中的传播速度略小于光速,通常我们近似认为就等于光速。

美国宇航局将蒙娜丽莎照片从地球发送至月球勘测轨道器,左图是传输之后的效果,显然图像变得失真,出现模糊,右图是蒙娜丽莎原图。

  美国宇航局将蒙娜丽莎照片从地球发送至月球勘测轨道器,左图是传输之后的效果,显然图像变得失真,出现模糊,右图是蒙娜丽莎原图。

太空飞船依赖无线电波与地球进行通讯。但是无线电波存在局限性,电波非常拥挤,更糟糕的是,无线电信号随距离增大而递减。

  太空飞船依赖无线电波与地球进行通讯。但是无线电波存在局限性,电波非常拥挤,更糟糕的是,无线电信号随距离增大而递减。

  据报道,在太空中,没有人会听到你的尖叫——因为声音不会在真空中传播,而且你需要某种类型的无线电波中继携载这些信息,况且太空距离非常遥远。无线电波适用于任何类型的通讯,例如:拍摄冥王星、火星、以及木星北极“地狱之花”。所有这些数据流都是通过无线电波传输至地球,广义上讲,无线电也是一种光,是一种非常微弱的光,无线电波具有光的波粒二象性。但这意味着空间通信会受到最棘手、最不便的规则限制——光速是有限的。

  当前人类太空通讯仍处于“拨号时代”

  由于全球首颗人造卫星发射于61年前,太空飞船依赖无线电波与地球进行通讯。但是无线电波存在局限性,电波非常拥挤,更糟糕的是,无线电信号随距离增大而递减。面对日益增多的太空信号量,以及太阳系内多颗人造卫星和探测器交叉信号传输,美国宇航局和其他太空机构正在研究如何支撑和加快太空通讯。一些多层面公共工程项目正在建设中,便于空间通讯进入太空时代。

  在地球上,无论你在哪里,通讯都是即时的,这要归功于我们构建互联网的一系列通信设备。无线电波很容易穿过地球大气层传播,而手机和人造卫星技术能够在任何地方保持信息通畅。当信号传输较大距离时,无线电波会扩散,因此通讯传输需要大功率设备和大型天线。我们在太空通讯领域投入较大,相应的技术不断地升级,目前地球至火星的信号传输率为每秒1.5Mb,火星距离地球平均2亿公里;地球至冥王星的信号传输率为每秒1Kb,冥王星距离地球75亿公里。

  美国宇航局推进实验室特别项目主管史蒂芬•利奇滕(Stephen Lichten)说:“从冥王星向地球传输一张图片的速度是火星向地球传输速度的1500倍,我们可以将机器人发送至太阳系之外,但是它们仍然以拨号连线进行通讯。”

  深空网络能力有限,几乎总是满负荷运行

  通常情况下,太空飞船通过“深空网络(DSN)”与地球进行联系,深空网络是由美国宇航局运营的一个巨大无线电天线阵列,该天线网络分布在全球3个地点,它是全球“太空舰队”的生命线,但是深空网络工作能力有限,而且它们几乎总是满负荷运行。利奇滕说:“当地球轨道遍布通讯任务时,我们当前的调度技术协调得非常好。然而随着太空任务的日益增多,将变得更具挑战性,例如:在同一时间有大量的发射计划,而且它们发射目的地是相同的。”

  2017年,美国宇航局火星项目主管表示,美国宇航局非常关注深空网络,很可能该系统在2020年和2021年超负荷运行,届时会有大量火星太空任务,其中包括:SpaceX、印度、阿联酋、欧洲航天局和美国宇航局的火星探测器。作为回应,利希滕说:“美国宇航局将进行大量升级和改造,来应对通讯超负荷现象,包括与其他国家建立合作关系,以及获得美国摩海德州立大学的技术支持,在必要的时候使用其他机构的天线设备。这些措施将很大程度地减少美国宇航局对于火星通讯拥堵的顾虑和担忧。”

  尽管如此,通讯容量问题并未消除,因此深空网络天线阵列的更新升级正在进行之中。深空网络项目主管桑尼•吉劳克斯(Sonny Giroux)说:“未来需求将远大于可用性。”据悉,目前Peraton公司与喷气推进实验室签订深空网络天线阵列运营的分包合同。近期Peraton公司与美国宇航局共同开发了一个项目,对每个天线装配4个独立的深空接收器,这样可以实现一个天线完成4个天线的工作。太空飞船能同时向地球拨打电话,同时软件可以分类数据流。这意味着地球轨道近30个太空飞船试着与地球建立通讯时能分类数据,同时不会接收到一些熟知的乐曲。

  甚至还有更好的解决办法,美国宇航局正在测试一种叫做“中断容错网络”的星际互联网络,它基本上是一种中继站系统,能够中转信息数据,作为一个缓冲,避免信息延迟或者出现故障,未来太空飞船可能拥有自己的小型中继站。目前,美国宇航局正在做这一方面的积极尝试,计划今年5月份发射的火星任务建立小规模中继站,届时将携载两颗中继卫星,发送飞船下降和着陆的实况信息。

  预计“洞察号火星登陆器(InSight Mars lander)”最早于今年5月份发射,11月26日登陆火星表面,它将研究火星历史和内部结构。通常情况下,像“洞察号火星登陆器”这样的太空任务准备登陆,它将使用“火星轨道勘测器”或者“火星奥德赛轨道器”作为与地球通讯的中继站。但是这两颗探测器在这段时间里无法提供帮助,因为它们并不处于合适的空间位置,将信息数据直接发送至地球。因此,美国宇航局将部署两颗叫做“火星立方1号(Mars Cube One)”的中继卫星,它们将具有无线电中继作用。“火星立方1号”任务主管、喷气推进实验室工程师安迪•克雷什(Andy Klesh)称,这两颗卫星将能够接收到“洞察火星登陆器”下降时的信息,然后再发送至地面工作人员,整个过程确保一切运行正常。

  人们仅需等待1个小时,就能知道价值10亿美元的太空飞船是否完好。但是没有人希望这样做,同时有更多的权宜信息可能对于航天器安全着陆十分有益(或者理解如果不这样做的话,会有什么问题)。“火星立方1号”卫星长14.4英寸、宽9.5英寸、高4.6英寸(大约是科思科麦片盒大小),比普通卫星小一些,价格相当便宜一些。如果一切顺利,类似的小型、廉价中继器可用于火星或者月球监控任务,在那里轨道飞行器较少,而且经常超负荷工作,需要排列时间,并缺少带宽。

  激光通讯系统是未来发展方向

  虽然目前而言无线电天线仍然是太空通信的支柱,但目前未来发展方向是激光通讯系统。该系统能够编码数据在一束可见光(与无线电波截然相反),之后在太空飞船和地球之间进行传输。聚焦激光操作的波长范围比无线电波短1万倍,意味着激光每秒能载波更多信息。因此,激光数据传送速率是无线电波系统的10-100倍,同时,激光能够在很远的距离保持一定的信号强度。

  据悉,这项技术首次是2013年在月球轨道进行测试,当时月球勘测轨道器在检查月球陨坑和地形结构时,同时接收到了蒙娜丽莎的图像。这次信息传送首次标志着科学家使用激光在太空中发送信息,但是美国宇航局仍需要在更大范围内进行测试。

       “激光通信中继演示任务(Laser Communications Relay Demonstration mission)”将于2019年全面展开,该任务是通过向卫星传送数据。紧随其后的是“普赛克任务(Psyche)”,探测器能够抵达一颗小行星黑色心脏区域,像“洞察号火星登陆器”一样,它能够提供实时勘测信息。普赛克任务的“深空光学通讯实验”将测试一个最新深空光端机和地面数据系统,使用近红外激光在太空和地球之间传送数据。但是预计普赛克探测器最早于2022年发射升空。

  月球勘测分析研究所(LEAG)退休主席、地球化学家克莱夫•尼尔(Clive Neal)称,未来地球和月球之间的通信线路会变得更加繁忙,尤其是如果美国研发其长期计划和备受争议的“月球轨道平台-大门”(简称LOP-G,可实现地月信息传送)。LOP-G将是邻近月球的一个太空栖息基地,同时它是一个电力站和通讯站。同时,地球人造卫星可能拥有独立的通信网络,尤其是如果人类探索者返回地球时,太空通讯将变得尤为重要。

  他还指出,当前许多国家太空机构开始勘测月球,而不是火星,这是美国曾勘测过的星球,未来美国将引领我们再次探索地月系统之外的空间。

  就像所有事情那样,金钱可能决定深空网络的未来发展,以及所有的空间通信。利希滕表示,深空网络的运营商一直忙于处理维护升级该项目的预算需求,深空网络非常稳定,但要持续保持这种状态,需要时刻保持警惕。

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