​激光如何成为下一代太空通讯通信工具

激光如何成为下一代太空通讯通信工具

作者：John Johnson

原文标题：《你相信光吗？能打电话的那种》

美国宇航局 ( NASA ) 最近发射了一颗深空探测卫星"Psyche"，这让我们能够一窥一颗具有与地球相似的核心结构的星球。也许人类永远无法踏上这颗星球，但这颗卫星的发射，以及卫星携带的随行仪器让太空通信领域的科学家兴奋不已。自太空时代开始以来，太空通信领域的科学家们一直依靠无线电波进行通讯。但是无线电波只是电磁波谱中的一小部分。科学家们希望可进行通讯的波谱能扩展到光谱的另一部分。因此，他们的目标是使激光成为下一代太空通讯通信工具。

Psyche 探测器的主要任务是探索一颗长 144 英里、形状像土豆的小行星，这颗小行星的公转轨道长度大约是地日距离的三倍。天文学界的主流观点认为，这颗小行星（确切地说是这颗名为 Psyche 16 的小行星）可能是一颗岩质行星的金属核心，其岩石表面在火星和木星之间的 " 小行星带 " 中被撞击剥离。

如果真是如此，那么通过探测这颗小行星中铁、镍和岩石的成分，我们得以对比研究地球的地核的构成与结构。

这颗探测器将会花费六年的时间抵达目的地，并证实这是小行星的表面是否由金属构成。如果假设成立，那么我们可能遇到的是一颗比上世纪 40~50 年代科幻作家笔下所描述的还要奇怪的星球。来自星球的金属喷流在与其他小行星的相互碰撞中形成了非常怪异的形状。

2022 年底，在佛罗里达的肯尼迪航天中心，装配人员正在检查 NASA 的 Psyche 深空探测卫星。这颗航天器将会于 2023 年 10 月 13 日择机发射。Psyche 将会搭载一颗激光通讯组件包（如图所示的金色底面银色圆柱形设备）来测试在地月范围之外光学通讯传输信号的能力。

但在另一方面，测试激光通讯技术的太空通讯专家将会更快地得出另一个同步进行的实验的结果。深空光学通信（DSOC）实验将会是第一例在地月外深空探测中采用激光通讯，或光通讯的实验。这项技术或对 NASA 的重返月球计划，以及下一步登陆火星起到重要作用。这项技术同样意味着 NASA 在探索新的太空通讯技术领域中迈出了重要一步。

如果这项实验能够预期完成，那么激光通讯技术将会补上 NASA 在主流的地外通讯系统 - 深空网络 ( DSN ) 中所面临的带宽限制的短板。 DSN 的三个无线电天线站点（每个站点各有一座 70 米直径的碟形天线，分别位于西班牙、澳大利亚和美国加利福尼亚州沙漠，彼此相隔 120 度）面临着与休斯顿高峰时段信号堵塞相似的情况。目前，从詹姆斯・韦伯太空望远镜到小型商业卫星等数十项空间的任务都在争夺 DSN 的通讯时间。

" 各种任务的通讯信号之间可能存在相互干扰，" 美国宇航局空间通信与导航办公室（SCaN）深空网络项目经理迈克・莱弗斯（Mike Levesque）表示，" 目前有 20% 的通讯申请无法得到满足。随着时间的推移，问题只会变得更糟。到 2030 年，这一比例将达到 40%。"

未来 NASA 还将有 40 个航天发射任务，每个任务都需要占用 DSN 一定的时间。更重要的是，其中一些发射任务为载人航天任务，这些任务将会搭载高清视频设备以及监控航天员生命体征的实时检测设备。NASA 不想因为一颗商业性的小型卫星 CubeSat 而迟滞这些为 NASA 重返月球而做的准备工作。像是 CubeSat 这类的小型卫星能够传输各种类型的科学数据，并提供互联网连接，但是人类已经将很多这类卫星发射到了近地轨道上了。

" 对于科学任务来说，项目的迟滞也许可以被接受，但对于 NASA 的载人任务，我们需要全力以赴，"SCaN 项目主管杰森・米切尔（Jason Mitchell）表示，" 随着重返月球和登陆火星计划的不断推进，计划中 NASA 宇航员所需要的东西也会随之增加。我们每天可能会发送数 TB 的数据。"

在激光通讯设备近期的实机测试中，研究人员试图利用激光携带比无线电波更多的信息。在电磁波谱中，近红外部分的光学波长非常小，接近纳米量级，频率也非常高，因此可以在同等空间尺度下承载更多信息，并将数据传输速率提高 10 到 100 倍，这是无线电波无法实现的。

" 这就是为什么光通讯技术适合发展成为未来深空探测的重要通讯技术" 米切尔说，" 光通讯技术所能达到的通讯带宽非常大 "。

NASA 将首次在深空中测试激光通信技术。可见光的频率比无线电频率更高，因此每秒可以携带 10 到 100 倍于无线电信号的信息。 ( 底部图表的左侧比较了无线电波携带的数据量（白色方框），右侧比较了近红外激光携带的数据量。 ) 激光信号（红色）的通讯范围比无线电信号（浅蓝色）窄得多，这可以增强空间通信的安全性，但信号的传输对微小的对齐误差非常敏感。图片源自 : NASA / GODDARD SPACE FLIGHT CENTER

相比于能够实现同样带宽的无线电系统，激光系统体积更为小巧，同时需要的功率更少。通讯系统的能耗是深空探测中需要考虑的另一个重要因素，因为航天器从地球出发，在没有补给的情况下，需要维持能够飞行数亿英里所需的通讯时间。

在过去的十年里，从近地轨道到月球，NASA 在不断测试验证这项新技术。Psyche 上搭载的激光通讯设备将能够在深空首次测试这项技术，这是一个重要的里程碑，因为光通信确实存在缺点。由于激光的单向性很强，光束很窄，因此必须非常准确地指向地球上的接收器。随着激光设备与地球之间距离的增加，保持激光的指向位置不变成为研究的难点。

建造该仪器的美国宇航局喷气推进实验室的 DSOC 项目技术专家阿比吉特・比斯瓦斯（Abhijit Biswas）将这一难度比作从一英里外击中一个移动的硬币，即使是一点晃动也会干扰信号的接收。为了使收发器在 Psyche 上保持稳定，喷气推进实验室安装了特殊的支撑和驱动装置，以减少光通讯设备受到的来自 81 英尺长的航天器振动的影响。

其他潜在的问题包括：大气上的云层会阻挡光束；随着距离的增加和光束的扩散，信号会显著减弱。这些问题限制了光通讯设备在距离火星以外的地区使用，至少在当前技术条件下是这样。这就是为什么搭载在 Psyche 上的设备所进行的测试只会在任务的前两年进行，也就是在航天器飞往小行星本身之前完成测试。

Psyche 航天器的艺术渲染图。Psyche 深空探测卫星于 2023 年 10 月踏上了前往同名小行星的长途旅程，并将于 2029 年到达。该卫星装备有能够分析小行星构成和测量其磁场的仪器。与大多数太空岩石不同，Psyche 小行星被认为由镍和铁组成，类似于地球的地核。图片来源 : NASA / JPL-CALTECH / ASU; IMAGE CREATED BY PETER RUBIN

基于这些原因，以及目前尚未实现光学接收器之间的互联组网，因此没有人预测激光通信全面取代无线电波的时间点，但这项技术可以为深空通讯增加新的渠道。" 未来的探测项目将能够实现多样化。" 比斯瓦斯说。

在这项的测试中，南加利福尼亚的 Table Mountain 上的一个五千瓦的发射机将向航天器上的 8.6 英寸望远镜上的激光收发器发送一个低码率通信包 —— 没有什么特别的，主要是随机模式，比斯瓦斯说。该仪器将使用单光子计数相机，锁定光束并下载信息，然后以高码率将其传回位于圣地亚哥附近的帕洛马山上的 200 英寸的 Hale 望远镜，以便将其与原始数据进行比较，以确保准确性。

即便在地球 - 火星之间的距离尺度上，光通讯的信号也相对微弱。从 Psyche 探测器到达 Hale 望远镜的通信包只包含几个光子，因此 NASA 依赖于一个高灵敏度的、低温冷却的光子计数探测器（由超导纳米线制成）附着在望远镜上解码信号。

对于拥有激光光谱学学位背景的比斯瓦斯来说，测试光学通信是十年努力的成果。" 这令人非常兴奋，" 他说。" 有太多前沿问题等待我们去探索。"

虽然激光通信（可以类比与高速公路）可能无法避免 DSN 未来将面对的信号拥堵的情况，但它可以在太空中辅助 DSN 传递一些重要的实时信息。