太空通訊仍處於「撥號時代」 激光才是解決之道

據國外媒體報道，在太空中，沒有人會聽到你的尖叫——因為聲音不會在真空中傳播，而且你需要某種類型的無線電波中繼攜載這些信息，況且太空距離非常遙遠。無線電波適用於任何類型的通訊，例如：拍攝冥王星、火星、以及木星北極「地獄之花」。所有這些數據流都是通過無線電波傳輸至地球，廣義上講，無線電也是一種光，是一種非常微弱的光，無線電波具有光的波粒二象性。但這意味著空間通信會受到最棘手、最不便的規則限制——光速是有限的。

美國宇航局將蒙娜麗莎照片從地球發送至月球勘測軌道器，左圖是傳輸之後的效果，顯然圖像變得失真，出現模糊，右圖是蒙娜麗莎原圖。

太空飛船依賴無線電波與地球進行通訊。但是無線電波存在局限性，電波非常擁擠，更糟糕的是，無線電信號隨距離增大而遞減。當前人類太空通訊仍處於「撥號時代」

由於全球首顆人造衛星發射於61年前，太空飛船依賴無線電波與地球進行通訊。但是無線電波存在局限性，電波非常擁擠，更糟糕的是，無線電信號隨距離增大而遞減。面對日益增多的太空信號量，以及太陽系內多顆人造衛星和探測器交叉信號傳輸，美國宇航局和其他太空機構正在研究如何支撐和加快太空通訊。一些多層面公共工程項目正在建設中，便於空間通訊進入太空時代。

在地球上，無論你在哪裡，通訊都是即時的，這要歸功於我們構建互聯網的一系列通信設備。無線電波很容易穿過地球大氣層傳播，而手機和人造衛星技術能夠在任何地方保持信息通暢。當信號傳輸較大距離時，無線電波會擴散，因此通訊傳輸需要大功率設備和大型天線。我們在太空通訊領域投入較大，相應的技術不斷地升級，目前地球至火星的信號傳輸率為每秒1.5Mb，火星距離地球平均2億公里；地球至冥王星的信號傳輸率為每秒1Kb，冥王星距離地球75億公里。

美國宇航局推進實驗室特別項目主管史蒂芬?利奇滕（Stephen Lichten）說：「從冥王星向地球傳輸一張圖片的速度是火星向地球傳輸速度的1500倍，我們可以將機器人發送至太陽系之外，但是它們仍然以撥號連線進行通訊。」

深空網路能力有限，幾乎總是滿負荷運行

通常情況下，太空飛船通過「深空網路（DSN）」與地球進行聯繫，深空網路是由美國宇航局運營的一個巨大無線電天線陣列，該天線網路分布在全球3個地點，它是全球「太空艦隊」的生命線，但是深空網路工作能力有限，而且它們幾乎總是滿負荷運行。利奇滕說：「當地球軌道遍布通訊任務時，我們當前的調度技術協調得非常好。然而隨著太空任務的日益增多，將變得更具挑戰性，例如：在同一時間有大量的發射計劃，而且它們發射目的地是相同的。」

2017年，美國宇航局火星項目主管表示，美國宇航局非常關注深空網路，很可能該系統在2020年和2021年超負荷運行，屆時會有大量火星太空任務，其中包括：SpaceX、印度、阿聯酋、歐洲航天局和美國宇航局的火星探測器。作為回應，利希滕說：「美國宇航局將進行大量升級和改造，來應對通訊超負荷現象，包括與其他國家建立合作關係，以及獲得美國摩海德州立大學的技術支持，在必要的時候使用其他機構的天線設備。這些措施將很大程度地減少美國宇航局對於火星通訊擁堵的顧慮和擔憂。」

儘管如此，通訊容量問題並未消除，因此深空網路天線陣列的更新升級正在進行之中。深空網路項目主管桑尼?吉勞克斯（Sonny Giroux）說：「未來需求將遠大於可用性。」據悉，目前Peraton公司與噴氣推進實驗室簽訂深空網路天線陣列運營的分包合同。近期Peraton公司與美國宇航局共同開發了一個項目，對每個天線裝配4個獨立的深空接收器，這樣可以實現一個天線完成4個天線的工作。太空飛船能同時向地球撥打電話，同時軟體可以分類數據流。這意味著地球軌道近30個太空飛船試著與地球建立通訊時能分類數據，同時不會接收到一些熟知的樂曲。

甚至還有更好的解決辦法，美國宇航局正在測試一種叫做「中斷容錯網路」的星際互聯網路，它基本上是一種中繼站系統，能夠中轉信息數據，作為一個緩衝，避免信息延遲或者出現故障，未來太空飛船可能擁有自己的小型中繼站。目前，美國宇航局正在做這一方面的積極嘗試，計劃今年5月份發射的火星任務建立小規模中繼站，屆時將攜載兩顆中繼衛星，發送飛船下降和著陸的實況信息。

預計「洞察號火星登陸器（InSight Mars lander）」最早於今年5月份發射，11月26日登陸火星表面，它將研究火星歷史和內部結構。通常情況下，像「洞察號火星登陸器」這樣的太空任務準備登陸，它將使用「火星軌道勘測器」或者「火星奧德賽軌道器」作為與地球通訊的中繼站。但是這兩顆探測器在這段時間裡無法提供幫助，因為它們並不處於合適的空間位置，將信息數據直接發送至地球。因此，美國宇航局將部署兩顆叫做「火星立方1號（Mars Cube One）」的中繼衛星，它們將具有無線電中繼作用。「火星立方1號」任務主管、噴氣推進實驗室工程師安迪?克雷什（Andy Klesh）稱，這兩顆衛星將能夠接收到「洞察火星登陸器」下降時的信息，然後再發送至地面工作人員，整個過程確保一切運行正常。

人們僅需等待1個小時，就能知道價值10億美元的太空飛船是否完好。但是沒有人希望這樣做，同時有更多的權宜信息可能對於航天器安全著陸十分有益（或者理解如果不這樣做的話，會有什麼問題）。「火星立方1號」衛星長14.4英寸、寬9.5英寸、高4.6英寸（大約是科思科麥片盒大小），比普通衛星小一些，價格相當便宜一些。如果一切順利，類似的小型、廉價中繼器可用於火星或者月球監控任務，在那裡軌道飛行器較少，而且經常超負荷工作，需要排列時間，並缺少帶寬。

激光通訊系統是未來發展方向

雖然目前而言無線電天線仍然是太空通信的支柱，但目前未來發展方向是激光通訊系統。該系統能夠編碼數據在一束可見光（與無線電波截然相反），之後在太空飛船和地球之間進行傳輸。聚焦激光操作的波長範圍比無線電波短1萬倍，意味著激光每秒能載波更多信息。因此，激光數據傳送速率是無線電波系統的10-100倍，同時，激光能夠在很遠的距離保持一定的信號強度。

據悉，這項技術首次是2013年在月球軌道進行測試，當時月球勘測軌道器在檢查月球隕坑和地形結構時，同時接收到了蒙娜麗莎的圖像。這次信息傳送首次標誌著科學家使用激光在太空中發送信息，但是美國宇航局仍需要在更大範圍內進行測試。

「激光通信中繼演示任務（Laser Communications Relay Demonstration mission）」將於2019年全面展開，該任務是通過向衛星傳送數據。緊隨其後的是「普賽克任務（Psyche）」，探測器能夠抵達一顆小行星黑色心臟區域，像「洞察號火星登陸器」一樣，它能夠提供實時勘測信息。普賽克任務的「深空光學通訊實驗」將測試一個最新深空光端機和地面數據系統，使用近紅外激光在太空和地球之間傳送數據。但是預計普賽克探測器最早於2022年發射升空。

月球勘測分析研究所（LEAG）退休主席、地球化學家克萊夫?尼爾（Clive Neal）稱，未來地球和月球之間的通信線路會變得更加繁忙，尤其是如果美國研發其長期計劃和備受爭議的「月球軌道平台-大門」（簡稱LOP-G，可實現地月信息傳送）。LOP-G將是鄰近月球的一個太空棲息基地，同時它是一個電力站和通訊站。同時，地球人造衛星可能擁有獨立的通信網路，尤其是如果人類探索者返回地球時，太空通訊將變得尤為重要。

他還指出，當前許多國家太空機構開始勘測月球，而不是火星，這是美國曾勘測過的星球，未來美國將引領我們再次探索地月系統之外的空間。

就像所有事情那樣，金錢可能決定深空網路的未來發展，以及所有的空間通信。利希滕表示，深空網路的運營商一直忙於處理維護升級該項目的預算需求，深空網路非常穩定，但要持續保持這種狀態，需要時刻保持警惕。

Science科學創建者shkoh chao：國家計算機高級工程師，業餘天文學家和科普工作者。新浪微博認證博主，今日頭條認證科普作者，頭條問答簽約作者，騰訊企鵝科普達人，UC頭條認證科普作者，鳳凰新聞科技頻道科普作者。每天多篇前沿科學科技資訊讓你掌握一手科學信息。多篇科學探索文章，擴充你的腦容量，讓你成為大神般的十萬個為什麼的解密者。

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