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天基無線電和光通信的可能性和局限性

天基無線電和光通信的可能性和局限性

通信技術的現狀

近60年來,與航天器最常見的通信方式是通過無線電波,因為無線電波是最有效的遠距離通信方式。

讓我們以國際空間站為例。中繼衛星位于高度約36,000公裡(22,000英裡)的地球靜止軌道上,提供與空間站的通信。這個軌道實際上允許衛星穩定在地球表面上方的固定線上。

天基無線電和光通信的可能性和局限性

太空無線電通信有三種類型:宇航員之間的通信、宇航員與地球之間的通信,最後是飛船本身與地球之間的通信。後者需要最先進的技術,這是任務成功的關鍵因素。

至于對公衆的廣播,雖然我們從電視台接收到的圖像是現場傳輸的,但由于信号處理和傳輸,它們仍有大約30秒的(輕微)延遲。這個信号一旦發射,實際上是通過跟蹤和資料中繼衛星(通常稱為“TDRS”,即“Tracking & Data Relay Satellite”)進行處理的,并直接進入休斯頓。

物聯網星座

今天有幾十個衛星星座(幾個衛星同時運作),包括定位系統、電信服務和遙感。中國計劃在3年内發射72顆用于物聯網的納米衛星,與俄羅斯和歐洲的發射方式相同。在地面部署了LoRa、Sigfox甚至是最先進的蜂窩技術之後,營運商們開始把目光投向星空。一些公司正在考慮将自己的衛星送入軌道。

這些營運商中有Objenious和Sigfox。 2018年,Sigfox與Eutelsat簽署了合作協定,以利用後者已經發射的納米衛星,并開發自己的名為“ 0G”的網絡。另一方面,Obenenious打算建立一個結合了地面和衛星網絡的混合網絡。

請注意,該想法不是建立新的IoT協定,而是使現有協定與空間頻段相容。Objenious并沒有打算放棄其LoRa子產品的開發,而是希望最終隻擁有一個支援多種技術的子產品。

雄心勃勃的營運商們打算覆寫整個領土,特别是目前解決方案未涵蓋的區域。在這些地區中,我們發現很大一部分是海洋領土,部署衛星網絡比安裝天線要便宜。如果再加上與空間開發相關的有利稅收,營運商進入21世紀的太空競賽似乎是未來幾年的主要趨勢之一。

我們将走多遠?

你聽說過旅行者計劃嗎?這是美國國家航空航天局設立的一個太空項目,旨在探索最遙遠的行星(如土星、木星)。旅行者1号是1977年發射到太空的兩個探測器之一。它于2012年離開太陽系。即使在今天,在距離地球200多億公裡的地方,探測器仍然能夠與我們交流一些資訊。這怎麼可能?該通信系統由一個直徑超過3.7米的抛物面天線支援發射和接收來自地球的無線電波。

如今,探測器僅傳輸非常少量的資訊,這需要20多個小時才能到達地球。

光學解決方案

天基無線電和光通信的可能性和局限性

去年,歐洲航天局宣布部署一顆通信衛星,成為低軌道與地球之間的主要中繼站。 在此之前,這些低軌道衛星(距地球表面36,000公裡以下)必須經過地球上的中繼點才能進行通信。這顆新衛星将檢索此資訊,并将其發送到更容易從其高地球靜止軌道通路的地面中繼點。

盡管空間與地球之間的通信通常是通過無線電波進行的,但該項目的創新之處在于使用了雷射,與目前使用的技術相比,吞吐量更高(快了10到100倍),并且能耗更低 。NASA還希望在2020年之前通過在現有衛星和ISS上安裝光子數據機(允許使用光學解決方案)來部署新網絡。 這樣,NASA将受益于更小,更便宜的解決方案。

光通信有着光明的未來,因為除了允許空間物體和地球之間的對話外,它們還幫助推進了幾個領域(特别是氣象學)的科學研究,而這一即時性在今天仍然是不可能的。美國宇航局甚至宣布有可能從其他行星的表面發送視訊!

無線電波的終結?

然而,無線電波仍然具有許多優點,例如更好地抵抗氣候條件。事實上,光束目前在下雪或下雨的天氣中是不可靠的,并且可以被一朵雲幹擾(更不用說其他行星的大氣條件了)。此外,這種技術僅在通信需要高吞吐量時才有意義。

而且安裝費用昂貴!所有的地面基礎設施都必須建立起來,因為雷射的技術與無線電完全不同;後者是基于美國宇航局的“深空網絡”(一個國際天線網絡)。為了擴大光通信的使用範圍,除了在天氣好的地區修建新的站點外,别無選擇。換句話說,還有很長的路要走。

PS:聽說過太空黑客嗎?

在1940年代,美國陸軍希望利用隕石進入大氣時留下的電離痕迹來進行長距離通訊。這些電離痕迹可以反射一些無線電波。

天基無線電和光通信的可能性和局限性

應該指出的是,空間不僅僅是大國的遊樂場!從1953年起,那些熱衷于無線電通信的太空黑客開始對這個話題感興趣。當電台“預約(make an appointment)”發送和接收電波時,大多數通信都是可能的。但由于他們幾乎不可能确定流星軌道是否位于無線電通信的适當位置,是以通常會連續發送相同的消息,直到接收站确認收到相同的消息。然而,已經建立了協定來規範這些傳輸。

通過使用流星的電離軌迹,太空黑客能夠在不等待接收站提前準備的情況下傳播無線電資訊。通過語音或莫爾斯電碼,無數的資訊被交換,直到2000年代,計算機程式用越來越複雜的傳輸系統取代了這些被認為是過時的方法。

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