太空通訊仍處于“撥號(hào)時(shí)代”，激光通訊是未來(lái)發(fā)展方向

在太空中，沒(méi)有人會(huì)聽(tīng)到你的尖叫——因?yàn)槁曇舨粫?huì)在真空中傳播，而且你需要某種類型的無(wú)線電波中繼攜載這些信息，況且太空距離非常遙遠(yuǎn)。無(wú)線電波適用于任何類型的通訊，例如：拍攝冥王星、火星、以及木星北極“地獄之花”。所有這些數(shù)據(jù)流都是通過(guò)無(wú)線電波傳輸至地球，廣義上講，無(wú)線電也是一種光，是一種非常微弱的光，無(wú)線電波具有光的波粒二象性。但這意味著空間通信會(huì)受到最棘手、最不便的規(guī)則限制——光速是有限的。

當(dāng)前人類太空通訊仍處于“撥號(hào)時(shí)代”

由于全球首顆人造衛(wèi)星發(fā)射于61年前，太空飛船依賴無(wú)線電波與地球進(jìn)行通訊。但是無(wú)線電波存在局限性，電波非常擁擠，更糟糕的是，無(wú)線電信號(hào)隨距離增大而遞減。面對(duì)日益增多的太空信號(hào)量，以及太陽(yáng)系內(nèi)多顆人造衛(wèi)星和探測(cè)器交叉信號(hào)傳輸，美國(guó)宇航局和其他太空機(jī)構(gòu)正在研究如何支撐和加快太空通訊。一些多層面公共工程項(xiàng)目正在建設(shè)中，便于空間通訊進(jìn)入太空時(shí)代。

在地球上，無(wú)論你在哪里，通訊都是即時(shí)的，這要?dú)w功于我們構(gòu)建互聯(lián)網(wǎng)的一系列通信設(shè)備。無(wú)線電波很容易穿過(guò)地球大氣層傳播，而手機(jī)和人造衛(wèi)星技術(shù)能夠在任何地方保持信息通暢。當(dāng)信號(hào)傳輸較大距離時(shí)，無(wú)線電波會(huì)擴(kuò)散，因此通訊傳輸需要大功率設(shè)備和大型天線。我們?cè)谔胀ㄓ嶎I(lǐng)域投入較大，相應(yīng)的技術(shù)不斷地升級(jí)，目前地球至火星的信號(hào)傳輸率為每秒1.5Mb，火星距離地球平均2億公里；地球至冥王星的信號(hào)傳輸率為每秒1Kb，冥王星距離地球75億公里。

美國(guó)宇航局推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室特別項(xiàng)目主管史蒂芬?利奇滕（Stephen Lichten）說(shuō)：“從冥王星向地球傳輸一張圖片的速度是火星向地球傳輸速度的1500倍，我們可以將機(jī)器人發(fā)送至太陽(yáng)系之外，但是它們?nèi)匀灰該芴?hào)連線進(jìn)行通訊。”

深空網(wǎng)絡(luò)能力有限

幾乎總是滿負(fù)荷運(yùn)行

通常情況下，太空飛船通過(guò)“深空網(wǎng)絡(luò)（DSN）”與地球進(jìn)行聯(lián)系，深空網(wǎng)絡(luò)是由美國(guó)宇航局運(yùn)營(yíng)的一個(gè)巨大無(wú)線電天線陣列，該天線網(wǎng)絡(luò)分布在全球3個(gè)地點(diǎn)，它是全球“太空艦隊(duì)”的生命線，但是深空網(wǎng)絡(luò)工作能力有限，而且它們幾乎總是滿負(fù)荷運(yùn)行。利奇滕說(shuō)：“當(dāng)?shù)厍蜍壍辣椴纪ㄓ嵢蝿?wù)時(shí)，我們當(dāng)前的調(diào)度技術(shù)協(xié)調(diào)得非常好。然而隨著太空任務(wù)的日益增多，將變得更具挑戰(zhàn)性，例如：在同一時(shí)間有大量的發(fā)射計(jì)劃，而且它們發(fā)射目的地是相同的?！?/p>

2017年，美國(guó)宇航局火星項(xiàng)目主管表示，美國(guó)宇航局非常關(guān)注深空網(wǎng)絡(luò)，很可能該系統(tǒng)在2020年和2021年超負(fù)荷運(yùn)行，屆時(shí)會(huì)有大量火星太空任務(wù)，其中包括：SpaceX、印度、阿聯(lián)酋、歐洲航天局和美國(guó)宇航局的火星探測(cè)器。作為回應(yīng)，利希滕說(shuō)：“美國(guó)宇航局將進(jìn)行大量升級(jí)和改造，來(lái)應(yīng)對(duì)通訊超負(fù)荷現(xiàn)象，包括與其他國(guó)家建立合作關(guān)系，以及獲得美國(guó)摩海德州立大學(xué)的技術(shù)支持，在必要的時(shí)候使用其他機(jī)構(gòu)的天線設(shè)備。這些措施將很大程度地減少美國(guó)宇航局對(duì)于火星通訊擁堵的顧慮和擔(dān)憂?！?/p>

盡管如此，通訊容量問(wèn)題并未消除，因此深空網(wǎng)絡(luò)天線陣列的更新升級(jí)正在進(jìn)行之中。深空網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目主管桑尼?吉?jiǎng)诳怂梗⊿onny Giroux）說(shuō)：“未來(lái)需求將遠(yuǎn)大于可用性?！睋?jù)悉，目前Peraton公司與噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室簽訂深空網(wǎng)絡(luò)天線陣列運(yùn)營(yíng)的分包合同。近期Peraton公司與美國(guó)宇航局共同開(kāi)發(fā)了一個(gè)項(xiàng)目，對(duì)每個(gè)天線裝配4個(gè)獨(dú)立的深空接收器，這樣可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)天線完成4個(gè)天線的工作。太空飛船能同時(shí)向地球撥打電話，同時(shí)軟件可以分類數(shù)據(jù)流。這意味著地球軌道近30個(gè)太空飛船試著與地球建立通訊時(shí)能分類數(shù)據(jù)，同時(shí)不會(huì)接收到一些熟知的樂(lè)曲。

甚至還有更好的解決辦法，美國(guó)宇航局正在測(cè)試一種叫做“中斷容錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)”的星際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它基本上是一種中繼站系統(tǒng)，能夠中轉(zhuǎn)信息數(shù)據(jù)，作為一個(gè)緩沖，避免信息延遲或者出現(xiàn)故障，未來(lái)太空飛船可能擁有自己的小型中繼站。目前，美國(guó)宇航局正在做這一方面的積極嘗試，計(jì)劃今年5月份發(fā)射的火星任務(wù)建立小規(guī)模中繼站，屆時(shí)將攜載兩顆中繼衛(wèi)星，發(fā)送飛船下降和著陸的實(shí)況信息。

預(yù)計(jì)“洞察號(hào)火星登陸器（InSight Mars lander）”最早于今年5月份發(fā)射，11月26日登陸火星表面，它將研究火星歷史和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。通常情況下，像“洞察號(hào)火星登陸器”這樣的太空任務(wù)準(zhǔn)備登陸，它將使用“火星軌道勘測(cè)器”或者“火星奧德賽軌道器”作為與地球通訊的中繼站。但是這兩顆探測(cè)器在這段時(shí)間里無(wú)法提供幫助，因?yàn)樗鼈儾⒉惶幱诤线m的空間位置，將信息數(shù)據(jù)直接發(fā)送至地球。因此，美國(guó)宇航局將部署兩顆叫做“火星立方1號(hào)（Mars Cube One）”的中繼衛(wèi)星，它們將具有無(wú)線電中繼作用。“火星立方1號(hào)”任務(wù)主管、噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室工程師安迪?克雷什（Andy Klesh）稱，這兩顆衛(wèi)星將能夠接收到“洞察火星登陸器”下降時(shí)的信息，然后再發(fā)送至地面工作人員，整個(gè)過(guò)程確保一切運(yùn)行正常。

人們僅需等待1個(gè)小時(shí)，就能知道價(jià)值10億美元的太空飛船是否完好。但是沒(méi)有人希望這樣做，同時(shí)有更多的權(quán)宜信息可能對(duì)于航天器安全著陸十分有益（或者理解如果不這樣做的話，會(huì)有什么問(wèn)題）。“火星立方1號(hào)”衛(wèi)星長(zhǎng)14.4英寸、寬9.5英寸、高4.6英寸（大約是科思科麥片盒大?。绕胀ㄐl(wèi)星小一些，價(jià)格相當(dāng)便宜一些。如果一切順利，類似的小型、廉價(jià)中繼器可用于火星或者月球監(jiān)控任務(wù)，在那里軌道飛行器較少，而且經(jīng)常超負(fù)荷工作，需要排列時(shí)間，并缺少帶寬。

激光通訊系統(tǒng)是未來(lái)發(fā)展方向

雖然目前而言無(wú)線電天線仍然是太空通信的支柱，但目前未來(lái)發(fā)展方向是激光通訊系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠編碼數(shù)據(jù)在一束可見(jiàn)光（與無(wú)線電波截然相反），之后在太空飛船和地球之間進(jìn)行傳輸。聚焦激光操作的波長(zhǎng)范圍比無(wú)線電波短1萬(wàn)倍，意味著激光每秒能載波更多信息。因此，激光數(shù)據(jù)傳送速率是無(wú)線電波系統(tǒng)的10-100倍，同時(shí)，激光能夠在很遠(yuǎn)的距離保持一定的信號(hào)強(qiáng)度。

據(jù)悉，這項(xiàng)技術(shù)首次是2013年在月球軌道進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)時(shí)月球勘測(cè)軌道器在檢查月球隕坑和地形結(jié)構(gòu)時(shí)，同時(shí)接收到了蒙娜麗莎的圖像。這次信息傳送首次標(biāo)志著科學(xué)家使用激光在太空中發(fā)送信息，但是美國(guó)宇航局仍需要在更大范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試。

“激光通信中繼演示任務(wù)（Laser Communications Relay Demonstration mission）”將于2019年全面展開(kāi)，該任務(wù)是通過(guò)向衛(wèi)星傳送數(shù)據(jù)。緊隨其后的是“普賽克任務(wù)（Psyche）”，探測(cè)器能夠抵達(dá)一顆小行星黑色心臟區(qū)域，像“洞察號(hào)火星登陸器”一樣，它能夠提供實(shí)時(shí)勘測(cè)信息。普賽克任務(wù)的“深空光學(xué)通訊實(shí)驗(yàn)”將測(cè)試一個(gè)最新深空光端機(jī)和地面數(shù)據(jù)系統(tǒng)，使用近紅外激光在太空和地球之間傳送數(shù)據(jù)。但是預(yù)計(jì)普賽克探測(cè)器最早于2022年發(fā)射升空。

月球勘測(cè)分析研究所（LEAG）退休主席、地球化學(xué)家克萊夫?尼爾（Clive Neal）稱，未來(lái)地球和月球之間的通信線路會(huì)變得更加繁忙，尤其是如果美國(guó)研發(fā)其長(zhǎng)期計(jì)劃和備受爭(zhēng)議的“月球軌道平臺(tái)-大門(mén)”（簡(jiǎn)稱LOP-G，可實(shí)現(xiàn)地月信息傳送）。LOP-G將是鄰近月球的一個(gè)太空棲息基地，同時(shí)它是一個(gè)電力站和通訊站。同時(shí)，地球人造衛(wèi)星可能擁有獨(dú)立的通信網(wǎng)絡(luò)，尤其是如果人類探索者返回地球時(shí)，太空通訊將變得尤為重要。

他還指出，當(dāng)前許多國(guó)家太空機(jī)構(gòu)開(kāi)始勘測(cè)月球，而不是火星，這是美國(guó)曾勘測(cè)過(guò)的星球，未來(lái)美國(guó)將引領(lǐng)我們?cè)俅翁剿鞯卦孪到y(tǒng)之外的空間。

就像所有事情那樣，金錢(qián)可能決定深空網(wǎng)絡(luò)的未來(lái)發(fā)展，以及所有的空間通信。利希滕表示，深空網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)商一直忙于處理維護(hù)升級(jí)該項(xiàng)目的預(yù)算需求，深空網(wǎng)絡(luò)非常穩(wěn)定，但要持續(xù)保持這種狀態(tài)，需要時(shí)刻保持警惕。