出品：科普中国

　　制作：川陀太空

　　监制：中国科学院计算机网络信息中心

　　抬头看浩瀚宇宙时，你是否曾好奇，太空中执行任务的航天员和飞行器如何与地面联系？遥远的距离会不会给数据传输造成困难？

　　传统深空通信：要想信号好，天线不能短?

　　在介绍深空通信前，我们得先了解一下深空通信所使用的“无线射频发射系统”。所谓的射频发射系统，指的是能进行射频通信的装置，用于空间通信的无线电频谱主要集中在30MHz至30GHz。这部分频谱覆盖了部分微波通信和短波通信，主要用于卫星信号、电视信号传输等。

　　执行深空任务的航天器一般使用2.02至2.30 GHz的频段进行通信。有了无线射频发射系统，深空探测器才能与地球进行联系，包括传输数据等。

　　这种通信方式的问题很明显：数据接收速度慢。以“新视野号”冥王星探测器为例，从距离地球73亿公里外传回数据，下行速度只有每秒1-4KB，数据全部传输完毕大约需要20个月的时间。

　　了解了“无线射频发射系统”，我们再回到深空通信本身。从原理上讲，深空通信有两个核心要素：发射器和接收器。?

　　发射器将经过调制的信息编码到电磁波上，改变波的特性，“嵌入”相关数据。电磁波穿过空间抵达接收器，接收器将电磁波进行解调和解码，从而获得发送者的信息。

　　使用无线射频发射系统，为了提高信噪比，需要使用更大口径的天线。但是提高信噪比的同时，也意味着要压缩带宽，每秒传输速率就会受到限制。

　　?

　　安装在国际空间站上的ILLUMA-T激光解调装置

　　（图片来源：NASA）

　　我们不可能一味地扩大天线口径，美国宇航局深空网使用了70米的天线，重量已经达到7000多吨，伺服机构也非常庞大。因此，要增大带宽，使其每秒可以承载更多的数据，就需要改变通信方式。?

　　?

　　位于澳大利亚堪培拉的堪培拉深空通信中心射电天线，改变通信方式才能承载更多的数据

　　（图片来源：NASA）

　　想看4K高清登月视频？激光通信来帮你?

　　近日，美国宇航局启动了一项从太空到地面进行数据通信的革命性方式——激光通信中继演示项目（简称LCRD）。2021年12月7日，该项目进入工程验证阶段。

　　实验在3.5万公里的地球同步轨道进行。具体实施方案为：将STPSat-6探测器送入轨道，使用空对地激光连接夏威夷和加州两处地面站，利用国际空间站上的光学终端接收和传输数据，验证经过改良的激光通信技术。?

　　?

　　LCRD演示项目的光学模块，用来发射红外激光

　　（图片来源：NASA）

　　如果高轨激光通信能够成功，那么在低于同步轨道的位置上也能进行激光通信。?

　　LCRD演示项目是NASA第一颗双向光通信中继卫星，其前身是2013年启动的月球激光通信演示（LLD），后者验证了空间激光传输的可行性，而前者则将空间激光的传输速度从数亿比特提升到10亿比特，在带宽上进行了提升。

　　?

　　2013年启动的月球激光通信演示项目，验证了地月激光通信的可行性

　　（图片来源：NASA）

　　　　美国宇航局这次进行的激光通信中继演示可以说是打开了未来空间通信的大门，意味着深空通信技术将发生大幅度的变化。?

　　举个例子，阿波罗登月期间，登月飞船使用射频系统将登月状态进行了实时传输，地面只能接收到颗粒状的黑白视频。如果使用激光传输，那么可从月球轨道上传回4K高清的登月视频。从传输速率上看，通过不可见的红外激光器发送和接收数据，其数据传输速率是传统航天器射频通信系统的10到100倍。

　　2013年进行的月球激光通信演示已经证明，我们能够以每秒数亿比特的速率从月球向地球传输数据，相当于同时传输

文章来源：《红外与激光工程》 网址: http://www.hwyjggczzs.cn/zonghexinwen/2022/0108/813.html