出品：科普中國
制作：川陀太空
監制：中國科學院計算機網絡資訊中心
擡頭看浩瀚宇宙時，你是否曾好奇，在太空中執行任務的航天員和飛行器如何與地面聯系？遙遠的距離會不會給資料傳輸造成困難？
傳統深空通信：要想信号好，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“無線射頻發射系統”。所謂的射頻發射系統，指的是能進行射頻通信的裝置，用于空間通信的無線電頻譜主要集中在30MHz至30GHz。這部分頻譜覆寫了部分微波通信和短波通信，主要用于衛星信号、電視信号傳輸等。
執行深空任務的航天器一般使用2.02至2.30 GHz的頻段進行通信。有了無線射頻發射系統，深空探測器才能與地球進行聯系，包括傳輸資料等。
這種通信方式的問題很明顯：資料接收速度慢。以“新視野号”冥王星探測器為例，從距離地球73億公裡外傳回資料，下行速度隻有每秒1-4KB，資料全部傳輸完畢大約需要20個月的時間。
了解了“無線射頻發射系統”，我們再回到深空通信本身。從原理上講，深空通信有兩個核心要素：發射器和接收器。
發射器将經過調制的資訊編碼到電磁波上，改變波的特性，“嵌入”相關資料。電磁波穿過空間抵達接收器，接收器将電磁波進行解調和解碼，進而獲得發送者的資訊。
使用無線射頻發射系統，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，也意味着要壓縮帶寬，每秒傳輸速率就會受到限制。
安裝在國際空間站上的ILLUMA-T雷射解調裝置 （圖檔來源：NASA）
我們不可能一味地擴大天線口徑，美國宇航局深空網使用了70米的天線，重量已經達到7000多噸，伺服機構也非常龐大。是以，要增大帶寬，使其每秒可以承載更多的資料，就需要改變通信方式。
位于澳洲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資料 （圖檔來源：NASA）
想看4K高清登月視訊？雷射通信來幫你
近日，美國宇航局啟動了一項從太空到地面進行資料通信的革命性方式——雷射通信中繼示範項目（簡稱LCRD）。2021年12月7日，該項目進入工程驗證階段。
實驗在3.5萬公裡的地球同步軌道進行。具體實施方案為：将STPSat-6探測器送入軌道，使用空對地雷射連接配接夏威夷和加州兩處地面站，利用國際空間站上的光學終端接收和傳輸資料，驗證經過改良的雷射通信技術。
LCRD示範項目的光學子產品，用來發射紅外雷射 （圖檔來源：NASA）
如果高軌雷射通信能夠成功，那麼在低于同步軌道的位置上也能進行雷射通信。
LCRD示範項目是NASA第一顆雙向光通信中繼衛星，其前身是2013年啟動的月球雷射通信示範（LLD），後者驗證了空間雷射傳輸的可行性，而前者則将空間雷射的傳輸速度從數億比特提升到10億比特，在帶寬上進行了提升。
2013年啟動的月球雷射通信示範項目，驗證了地月雷射通信的可行性 （圖檔來源：NASA）
美國宇航局這次進行的雷射通信中繼示範可以說是打開了未來空間通信的大門，意味着深空通信技術将發生大幅度的變化。
舉個例子，阿波羅登月期間，登月飛船使用射頻系統将登月狀态進行了實時傳輸，地面隻能接收到顆粒狀的黑白視訊。如果使用雷射傳輸，那麼可從月球軌道上傳回4K高清的登月視訊。從傳輸速率上看，通過不可見的紅外雷射器發送和接收資料，其資料傳輸速率是傳統航天器射頻通信系統的10到100倍。
2013年進行的月球雷射通信示範已經證明，我們能夠以每秒數億比特的速率從月球向地球傳輸資料，相當于同時傳輸100多個高清電視訊道。
這次進行的雷射通信中繼示範項目的目的是實作每秒1.2吉比特（gigabit）的速率，以這種速度傳輸，我們可以在一分鐘内從同步軌道上傳回一部電影。
與射頻系統相比，雷射通信系統更小、更輕，且功耗更低，這些優勢與更高帶寬相結合的話，就可以在極大程度上幫助無人探測器和宇航員共同對太陽系内各個天體進行探索。
登月直播有盼頭，但還任重而道遠
雷射通信最現實的意義就是，我們有機會能看到重返月球的過程。月球距離我們大約38萬公裡，對于每秒接近30萬公裡的光速而言，可以說察覺不到明顯的延遲。這樣一來，登月的實況轉播将變得更加清晰，相當于看一場高清直播。
當然，空間雷射通信也有缺點。與傳統的航天器射頻通信所不同的是，光信号無法穿透雲層。這意味着，如果要進行天基雷射對地通信，就需要建立多個中繼站，避免因為天氣原因導緻通信中斷。美國宇航局選擇加州平頂山和夏威夷阿卡拉兩個地面站，就是看中了這裡雲層少的特點。
位于夏威夷的雷射通信地面接收裝置 （圖檔來源：NASA）
而且，雷射通信的發展才在初級階段，射頻通信不用擔心會被取代。雷射通信可以補充無線電通信的不足，讓深空任務的通信能力變得更加強大。嚴格意義上說，深空通信要超過200萬公裡，美國宇航局在同步軌道、月球軌道上進行的測試，也僅僅是雷射通信的初級階段，隻有在地月系統内建立完善的連接配接機制，才能推廣到其他深空任務中。
NASA雷射通信示範衛星 （圖檔來源：NASA）
在延長通信距離的時候，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候信号延遲是4分鐘左右，距離地球最遠的時候延遲大約24分鐘。顯然，我們得首先確定雷射通信在傳輸上的穩定性，才能應對延遲所帶來的其他影響。
雷射通信前景大好，實時操控不是夢
在後期應用方面，雷射通信還能拓展到對小行星、太陽系等更遠天體的探索任務中。除了基本的傳輸資料外，還能将3D高清視訊信号傳輸到地球，這樣地面上的科學家就能對遙遠天體上的登陸裝置進行實時操控，從本質上實作遠端監視和控制。這種應用場景适合對地外天體表面進行無人着陸器勘察，甚至可以利用射頻與雷射結合的方式，對火星地下溶洞進行實時勘探。
随着天體一體化資訊網絡趨勢的臨近，傳統的微波通信方式受到帶寬、速率的限制，越來越難滿足當下的多媒體業務需求，雷射通信也正在成為取代微波通信的最優方案之一。尤其是在大型空天項目，比如航空運輸、航天發射等重大應用方面，雷射通信技術還能建構高動态衛星雷射組網，擴大天基資訊業務的範圍。
雷射通信技術還能建構高動态衛星雷射組網，擴大天基資訊業務的範圍 （圖檔來源：NASA）
值得一提的是，中國的北鬥衛星和地面站之間也使用雷射信号傳輸，相關的高速通信實驗已經完成，速度比5G網絡還要快。
在不久的将來，我國将擁有世界上首個覆寫全球的雷射通信網絡，衛星網際網路的大規模應用也即将到來。近日，關于新一代重型火箭正在研發的消息也被央視等媒體披露，這意味着我國有可能在不久的将來實作載人登月。随着雷射通信技術的不斷成熟，相信屆時也會應用到載人登月領域，實作對中國登月的實時直播。
參考文獻：
[1]雷射通信中繼示範項目首頁：
https://www.nasa.gov/mission_pages/tdm/lcrd/index.html
[2] NASA’S NEXT STEP IN OPTICAL COMMUNICATIONS（美國宇航局在光學通信方面規劃）
https://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/lcrd_fact_sheet.pdf
[3]鄭運強,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.空基雷射通信研究進展和趨勢以及關鍵技術[J/OL].紅外與雷射工程:1-15[2021-12-17].