NASA计划于夏季开始测试红外激光通信

NASA计划于夏季开始测试红外激光通信

【澳大利亚每日航天网站6月9日报道】 NASA计划于夏季发射一颗由接收器和激光发射器组成的示范卫星，用于演示激光通信中继。该卫星将运行数年，测试从国际空间站向地面站传输大量数据的情况，确定地球大气层对使用激光向地面传输数据的影响。

此外，NASA还将在2021年晚些时候发射“猎户座”飞船执行月球无人值守任务，届时将利用激光向地球传输月球高清视频。

使用红外激光传输数据，可在9天内传输整个火星表面的地图，使用无线电波则需要9个月，该技术有望彻底改变太空通信现状。

作者：胡雅芸

编辑：施法

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晚30年后来居上！北斗再突破，激光通信秒传几千兆，领先美国一步

自 1895 年俄国物理学家A.C.波波夫，和意大利物理学家G.马可尼，分别成功地进行了无线电通信试验后，无线电通信逐渐深入我们的生活。经过百余年的不断发展，各种新的无线电业务不断涌现，已经遍及社会生活的各个领域。但随着通信数据的增加，无线电通信已经很难满足我们的需要，尤其是在卫星通信领域。

自 1950 年代开始太空探索以来，NASA 的任务就一直在利用无线电通信，向太空发送数据和接收来自太空发的数据。但随着频繁的太空任务，产生的数据传输需求越来越大，旧系统已逐渐不堪负荷，使得增强通信能力的需求变得至关重要。对此，NASA 开始探索将激光通信，作为未来地球与太空之间的通信方式。

为什么要选择激光通信？理论上激光通信要比无线电通信快上百万倍！

无线电波和红外激光都是电磁辐射，只是其波长位于电磁波谱上的不同点。像无线电波一样，红外激光对于人眼来说也是不可见的，但我们每天都会通过电视遥控器或加热灯等物品接触到它。

由于用于激光通信的红外激光比无线电波的频率更高，因此红外光能将数据打包得更紧密，这意味着地面站可以一次接收更多数据。因此，虽然激光的传播速度不一定比无线电更快，但在一个下行链路中却可以传输更多数据。

而已知目前无线电通信的数据传输速度大约是每秒千字节，激光通信的传输数据是每秒几千兆字节。因此可见，理论上激光通信最多要比无线电通信快上一百万倍。

同时据 NASA 表示，保守估计，激光通信将使传输回地球的数据比当前的无线电系统多 10 到 100 倍。以地球与火星之间的传信为例，使用当前的无线电频率系统将完整的火星地图传回地球大约需要九周的时间，而使用激光的话，仅需要 9 天左右。

上图：无线电和激光通信之间数据速率差异的图形表示。NASA

此外，由于太空中的激光通信终端使用比无线电系统更窄的光束宽度，因此信号传播的方向性更强、传播范围也更加集中，进而拥有更小的“足迹”，可以大幅减少可以拦截通信的地理范围来最大限度地减少干扰或提高安全性，使得通信难以被窃听。

然而即便激光通信拥有如此多的优点，国际大部分从事激光大气通信技术研究的单位，却在 20 世纪 80 年代中后期，相继停止了进一步研究。有的国家甚至认为激光大气通信研究的路是一条“死胡同”，“走不通”，“是痴人说梦”。

但并非所有人都毫无进展。2021 年 12 月 7 日，NASA的激光通信中继演示（LCRD）装置，搭乘着阿特拉斯五号火箭，从卡纳维拉尔角空军基地的 41 号航天发射场发射升空。

上图：阿特拉斯五号火箭于从卡纳维拉尔角空军基地的 41 号航天发射场发射升空。

LCRD 将展示 NASA 的首个双向激光中继通信系统，通过不可见的红外激光传播信息，并以每秒 1.2Gbps 的速度从高约 22,000 英里的地球同步轨道上，向美国加利福尼亚和夏威夷的地面站发送和接收数据。而以这个数据传输速度，完全可以在一分钟内下载一部电影。除此之外，与无线电通信系统相比，激光通信系统更小、更轻、耗电更少。因此这些优势，可能会彻底改变该机构与整个太阳系的未来任务进行通信的方式。

但在激光通信领域，中国才是名副其实的王者。据环球网 12 月 6 日报道，中科院宣布中国为北斗全球系统研制的激光通信设备，已经顺利完成了多次激光通信试验。

值得注意的是，早在中国开始研究该技术的 30 年前，美国、日本等国家就已经开始寻求在卫星上，发展利用激光通信技术了。但始终未能解决其中的一些实际问题，其中最大的阻碍就是大气层。

上图：NASA 的 LCRD 任务操作中心管理LCRD的地面元件

由于空气可以吸收和反射光，因此能够顺利穿过大气层的光粒子太少。湍流还会扭曲或震动激光束，使光信号变得太模糊而无法阅读，尤其是在人类活动密集的城市地区。但咱们的研究人员开发了一种望远镜镜面，可以通过电荷改变形状，以减少空气湍流带来的模糊。中科院称，此次试验利用北斗激光通信设备，在城市复杂的大气条件下，稳定地实现了光通信。

而最值得自豪的是，北斗已经是世界上最大的卫星导航系统，在轨卫星数量达到 35 颗，超过美国 GPS 的 31 颗。而且北斗极其独特，不仅有导航功能，还有短信功能。并且，由于还没有哪种卫星导航系统真正使用上了激光通信，因此一旦北斗卫星导航系统的信号传输升级成激光通信，它的传输速度和定位精度都将遥遥领先于GPS、格洛纳斯和欧洲伽利略三大全球导航系统。

这同时也意味着，我国很可能成为全球首个拥有激光通信网的国家。就连美媒也表示：北斗进行激光通信试验，领先美国一步——可以提高卫星导航精度。文中报道，通过用激光束同步卫星的原子钟，预计可以将卫星导航精度提高 6 到 40 倍。

现在，中国已经在这一关键领域“超车”，一举攻破了西方国家的难题。预计未来，全球多国在该领域的竞争将愈发激烈。

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