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100多个高清电视频道。
这次进行的激光通信中继演示项目的目的是实现每秒1.2吉比特（gigabit）的速率，以这种速度传输，我们可以在一分钟内从同步轨道上传回一部电影。
与射频系统相比，激光通信系统更小、更轻，且功耗更低，这些优势与更高带宽相结合的话，就可以在极大程度上帮助无人探测器和宇航员共同对太阳系内各个天体进行探索。
登月直播有盼头，但还任重而道远
激光通信最现实的意义就是，我们有机会能看到重返月球的过程。月球距离我们大约38万公里，对于每秒接近30万公里的光速而言，可以说察觉不到明显的延迟。这样一来，登月的实况转播将变得更加清晰，相当于看一场高清直播。
当然，空间激光通信也有缺点。与传统的航天器射频通信所不同的是，光信号无法穿透云层。这意味着，如果要进行天基激光对地通信，就需要建立多个中继站，避免因为天气原因导致通信中断。美国宇航局选择加州平顶山和夏威夷阿卡拉两个地面站，就是看中了这里云层少的特点。
位于夏威夷的激光通信地面接收装置
（图片来源：NASA）
而且，激光通信的发展才在初级阶段，射频通信不用担心会被取代。激光通信可以补充无线电通信的不足，让深空任务的通信能力变得更加强大。严格意义上说，深空通信要超过200万公里，美国宇航局在同步轨道、月球轨道上进行的测试，也仅仅是激光通信的初级阶段，只有在地月系统内建立完善的连接机制，才能推广到其他深空任务中。
NASA激光通信演示卫星
（图片来源：NASA）
在延长通信距离的时候，延迟的问题难以避免。比如，把宇航员送到火星上登陆，火星距离地球最近的时候信号延迟是4分钟左右，距离地球最远的时候延迟大约24分钟。显然，我们得首先确保激光通信在传输上的稳定性，才能应对延迟所带来的其他影响。
激光通信前景大好，实时操控不是梦
在后期应用方面，激光通信还能拓展到对小行星、太阳系更远天体的探索任务中。除了基本的传输数据外，还能将3D高清视频信号传输到地球，这样地面上的科学家就能对遥远天体上的登陆装置进行实时操控，从本质上实现远程监视和控制。这种应用场景适合对地外天体表面进行无人着陆器勘察，甚至可以利用射频与激光结合的方式，对火星地下溶洞进行实时勘探。
随着天体一体化信息网络趋势的临近，传统的微波通信方式受到带宽、速率的限制，越来越难满足当下的多媒体业务需求，激光通信也正在成为取代微波通信的最优方案之一。尤其是在大型空天项目，比如航空运输、航天发射等重大应用方面，激光通信技术还能构建高动态卫星激光组网，扩大天基信息业务的范围。
激光通信技术还能构建高动态卫星激光组网，扩大天基信息业务的范围
（图片来源：NASA）
值得一提的是，中国的北斗卫星和地面站之间也使用激光信号传输，相关的高速通信实验已经完成，速度比5G网络还要快。
在不久的将来，我国将拥有世界上首个覆盖全球的激光通信网络，卫星互联网的大规模应用也即将到来。近日，关于新一代重型火箭正在研发的消息也被央视等媒体披露，这意味着我国有可能在不久的将来实现载人登月。随着激光通信技术的不断成熟，相信届时也会应用到载人登月领域，实现对中国登月的实时直播。
参考文献：
[1]激光通信中继演示项目主页：
https://www.nasa.gov/mission_pages/tdm/lcrd/index.html
[2] NASA’S NEXT STEP IN OPTICAL COMMUNICATIONS（美国宇航局在光学通信方面规划）
https://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/lcrd_fact_sheet.pdf
[3]郑运强,刘欢,孟佳成,王宇飞,聂文超,武军霞,蔚停停,魏森涛,袁站朝,汪伟,谢小平.空基激光通信研究进展和趋势以及关键技术[J/OL].红外与激光工程:1-15[2021-12-17].
