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每秒钟速度可达1Gbit, 太空数据传输将迎来“宽带时代”

来源:荣格-《国际工业激光商情》 发布时间:2021-07-06 696
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要传输完整的火星地图,使用当前的无线电通信技术需要大约九周才能完全获得。

近期据外媒报道,美国国家航空航天局(NASA)将于今年夏天启动激光通信中继(LCRD)项目,为行星之间的高速数据传输奠定基础。在过去几十年间,尽管无线电通信技术被验证是可靠的,但随着4K视频等技术的出现,未来空间传输的信号量将变得越来越大。因此无线电通信技术的局限性也变得愈发凸显。比如,要传输完整的火星地图,使用当前的无线电通信技术需要大约九周才能完全获得。而如果采用激光通信技术,时间可以缩短至9天。


此外,激光通信系统占用的空间更小,重量也更轻。凭借其自身的优势,激光通信也为将来的太空任务提供了更多的可能性,缩小化的体积为其他科学仪器和设备留出了更多的空间。NASA戈达德太空飞行中心首席研究员David Israel表示,“LCRD将展示运用激光系统的所有优势,并使我们通过学习逐渐达到最佳操作的效果。随着对LCRD验证的到来,让NASA可以在之后的任务中采用激光通信技术,使其成为行星之间发送和接收数据的标准化方式。”


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据悉,NASA使用的激光通信系统采用了红外光传输数据。尽管激光通信不一定比无线电波快,但它们却能在下行传输中传输更多的数据。原因在于,在数据以打包方式进行传输时,红外光波比无线电波紧密得多。


另外,太空中的激光通信终端使用的是比无线电通信系统更窄的波束宽度。其结果是能实现更小的“路径”(footprints),从而让通信受到干扰降至最低并提升了安全性能,这对于可能信号被拦截的地区十分受用。但是通信成功的关键是,指向地面站的激光通信望远镜能从数千或数百万英里外工作时必须准确。任何微小的偏差都可能导致激光通信失败。


之后,LCRD将被发射到位于地球上空约22000英里的地球同步轨道上,届时可以承担支持近地地区的通信任务。LCRD将在头两年内通过大量实验测试激光通信能力,以进一步完善激光技术。


第一个实验阶段将利用该任务在美国加利福尼亚和夏威夷的地面站,光学地面站1和2作为模拟用户,选择这些位置是因为它们的云覆盖范围最小。NASA进行实验的目的是为了评估激光器上的大气扰动,并练习从两座光学地面站之间的顺利切换。在实验阶段之后,LCRD将过渡到支持太空任务,通过红外激光向卫星发送和接收数据,以展示激光通信中继系统的好处。


NASA预计,激光通信系统的第一个太空用户将是集成LCRD低地球轨道用户调制解调器和放大器终端,该终端将于2022年发射到国际空间站。空间站上的这套终端系统将接收来自实验和仪器的高质量科学数据,然后它将以1.2 Gbit/s的速度传输至LCRD,LCRD再将以相同的速率将数据传输到地面站。


LCRD将搭乘美国国防部的空间测试计划卫星6(STPSat-6)进入到近地轨道。进入轨道后,位于美国新墨西哥州拉斯克鲁塞斯LCRD任务运营中心的工程师,将通过打开有效载荷启动激活过程并通过红外激光传输数据。在第一个用户上线之前,LCRD将练习向地面站发送测试数据。该测试数据将通过任务操作中心的射频信号向上发送,然后LCRD航天器将通过光信号进行回复。该测试数据将包括航天器的健康数据、跟踪遥测和命令数据,以及样本用户的数据。

太空“拨号时代”的终结


目前不管你身处何方,哪怕和对方相隔万里都可以借助现代通讯技术来实现。这主要归功于互联网的发展以及全球通信设备的普及。其中,无线电波因为很容易穿透地球大气层进行远距离传播,让手机和人造卫星之间的信号传输变得非常方便和快捷。


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激光通信中继演示有效载荷连接到LCRD支持组装飞行(LSAF)。LSAF充当LCRD组件的主干。与LSAF相连的是两个光学模块,它们产生红外激光并将数据传输到地球和接收从地球的数据(来源:NASA)


但在太空中由于距离太远,无线电的弱点就变得异常明显。无线电波存在局限性,电波非常拥挤,并且信号也随着距离增大而递减。在过去的几十年时间里,人类发射了很多太空探测器。这些探测器到达目标行星后,会把拍摄的图片通过无线电发回地球。但由于距离的关系,地球上的人在接收图片时都不是即时的,距离越远传输速率越慢,传回的图片也越模糊。目前地球至火星的信号传输率为每秒1.5Mb,火星距离地球平均2亿公里;地球至冥王星的信号传输率为每秒1Kb,冥王星距离地球75亿公里。


因此即使人类已经具备了将探测器发往太阳系外的能力,但由于通信技术的落后,很难接收到来自外太空的详细数据,传回来的信号也只是一些模糊的图片或信息。对此,科学家曾预言,激光通信技术是未来的发展方向。激光通信系统能够编码数据在一束可见光,聚焦激光的波长范围比无线电波短1万倍,意味着激光每秒能载波更多信息。因此,激光数据传送速率是无线电波系统的10-100倍,同时,激光能够在很远的距离保持一定的信号强度。


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自1983年美国发射第一颗跟踪和数据中继卫星以来,NASA一直在利用通信中继卫星进行信号传输。使用中继通信技术,就不需要在信号传输过程中让任何与地球上的地面站进行“端到端”的直接连接,从而增加了通信覆盖范围。


与无线电射频通信不同,光信号无法穿透云层覆盖,因此NASA必须构建一个足够灵活的系统,以避免因天气而中断。未来,LCRD还将测试不同的云覆盖场景,收集有关光通信灵活性的宝贵信息。


来源:荣格-《国际工业激光商情》


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