NASA研究人员成功地测试太空激光通信 地空传递4K视频片段

美国国家航空航天局（NASA）的研究人员成功地测试了太空激光通信，将4K视频片段从空中的一架飞机传输到国际空间站，然后再返回。这一壮举表明，航天局可以在阿耳特弥斯号任务期间提供登月的现场报道，并预示着光通信的发展前景良好，可以将人类与火星及更远的地方连接起来。

美国国家航空航天局通常使用无线电波在地面和太空之间发送数据和通话，但它表示，使用红外光的激光通信传输数据的速度比无线电快 10 到 100 倍。

工程师在飞机上安装了便携式激光终端，然后飞机飞越伊利湖，将数据传回克利夫兰的中心。然后，数据通过地面网络传输到美国宇航局的新墨西哥测试设施，在那里，科学家们控制着将数据传送到 22000 英里之外的美国宇航局激光通信中继演示（LCRD）卫星的过程。然后，LCRD 将数据转发给国际空间站上的ILLUMA-T（集成激光通信中继演示低地球轨道用户调制解调器和放大器终端）。

虽然"阿尔忒弥斯"任务已经推迟，但第四次人类重返月球的任务仍将于 2028 年如期完成。到那时，我们可能会在主流的 8K 电视上看到宇航员在月球上的清晰 4K 现场直播。

用激光打电话回家——太空中的激光通信系统

导读

在太空 中，没有人会听到你的尖叫——因为声音不会在真空中传播，而且你需要某种类型的无线电波中继携载这些信息，况且太空 距离非常遥远。

无线电波适用于任何类型的通讯，例如：拍摄冥王星、火星。所有这些数据流都是通过无线电波传输至地球。

在地球上，无论你在哪里，通讯都是即时的，这要归功于我们构建互联网的一系列通信设备。无线电波很容易穿过地球大气层传播，而手机和人造卫星技术能够在任何地方保持信息通畅。当信号传输较大距离时，无线电波会扩散，因此通讯传输需要大功率设备和大型天线。

美国宇航局NASA正计划实现人类永久往返月球。

在地球上，我们已经习惯了高速、无处不在的互联网接入。一旦到达月球表面，是否有网络连接，或者仅仅只有非常缓慢的网络。

今天，绝大多数卫星和航天器的数据速率为千 比特/秒。

对于长期居住在月球上的居民来说，这个带宽明显不让人满意。

为了满足高清视频和数据密集型研究的需要，美国航天局NASA和其他空间机构正在探索传统无线电频率传输的极限速度。

图1 各种通信波段的频率

例如，在NASA的Artemis2 任务中，月球周围携带宇航员的猎户座Orion航天器，将通过S波段 无线电以每秒50兆 位Mbit发射关键信息。

图2 猎户座多用途乘务飞行器(Orion MPCV)

其中，可以用来传输高清视频的带宽仅为1MB/s。

但如果想用Netflix播放高清电影，至少需要5MB/s的速度。

所以要提高数据速率，就意味着要超越无线电，开发光通信系统，利用激光在太空中传输数据。

激光通信

除了S波段无线电，猎户座还将携带激光通信系统，将超高清晰度4K视频送回地球。

图3 激光通信系统

但激光通信是一个棘手的命题。

宇宙飞船的轻微震动可能会使激光束疯狂地偏离航向，也会被地球的大气层衰减。

但是如果激光通信可以工作，强大的光通信将使深空通信能够在几分钟内完成，而不是几天内完成。宇航员将免受太空工作的孤独之苦。

图4 深空通信

今天，航天机构更愿意使用S 波段(2至4千兆赫兹)和ka 波段(26.5至40千兆赫)的无线电在航天器和飞行任务控制之间进行通信。

机载无线电台将航向信息、环境状况和数十个航天系统的数据 发回任务控制系统。

ka波段尤其受到重视。美国宇航局(NASA)的无线电和光学技术开发负责人唐·康威尔(Don Cornwell) ，称它为"无线电频率的凯迪拉克"(Cadillac)，因为它可以每秒传输到千兆 KM位，并在太空中传播良好。

图5 光纤

任何航天器传输数据的能力都受到电磁谱中一些不可避免的物理性质的限制:

1、无线电频谱是有限的，空间通信的宝贵频带也同样受到商业应用的重视。

蓝牙和wifi使用S波段，5G蜂窝网络使用ka波段。

2、无线电信号在空间真空中传播。当来自月球的ka波段信号到达地球时，它将扩展到直径约2000公里 的区域：大约相当于印度的大小。

到那时，信号要弱得多，所以你需要在地球上安装一个敏感的接收器，或者在月球上安装一个强大的发射器。

图6 光束变宽

3、激光通信系统也存在色散问题，相交的光束可能会混淆数据。但是，从月球发出的激光束将覆盖一个只有6公里 宽的区域，当它到达地球时。这意味着任何两根光束相交的可能性要小得多。

此外，他们也不必面对已经很拥挤的频谱。你可以使用激光传输几乎无限数量的数据，康威尔 说:"光学的光谱是不受限制的。激光束太窄了，它们几乎不可能互相干扰。"

更高的频率也意味着更短的波长，这会带来更多的好处。

Ka波段信号的波长从7.5毫米到1厘米不等，但美国宇航局计划使用1550纳米波长的激光，与地面光纤网络使用的波长相同。

图7 测试仪器

事实上，空间激光通信的大部分发展都建立在现有的光纤工程基础上，更短的波长(和更高的频率)意味着更多的数据可以同时传输。

激光通信的优点多年来一直是已知的，但直到最近工程师才能够制造出优于无线电性能的系统。例如，2013年，美国宇航局的月球激光通信演示证明，光学信号能够可靠地将信息从月球轨道传回地球。这个实验使用了月球大气层和灰尘环境探测器上的发射机，以622Mb/s的速度将数据发射回地球，速度是Orion 的波段无线电的10倍多。

图8 林肯实验室的研究人员在防抖动平台上测试他们的光学系统，以确保航天器的震动和抖动不会破坏它们

O2O激光通信系统

MIT 林肯实验室在NASA飞行任务中开发了许多激光通信系统。

作为对其频带无线电的补充，在Artemis2 任务期间，将携带称为O2O的激光系统。其主要任务是将4k个超高视频从月球传输回来。

在月球轨道上，O2O将以80 Mb/s的速度接收数据，并以20 Mb/s的速度传输。尽管相比2013年的622mb/s，O2O的设计速度不是很快。

但O2O将为未来的任务打开数据通信的大门，允许与家人进行视频聊天，与医生进行私人协商，甚至只是在停机期间观看现场体育赛事。人们在月球上花费的时间越多，所有这些联系就越重要，他们的心理健康就越重要。最终，视频将成为深空任务的关键任务。

在太空中测试O2O之前，它首先必须在旅途中存活下来。安装在航天器上的激光系统使用望远镜发送和接收信号。这些望远镜依赖于镜面和其他移动部件的精密排列。

O2O的望远镜将使用离轴卡塞格伦 设计，一种带有两面镜子的望远镜，安装在旋转万向架上聚焦捕获的光。

图9 mascot是MIT 林肯实验室研究人员开发的一种模块化、廉价的光通信系统

一旦O2O进入太空，它就必须精确瞄准。

猎户座的机载设备也将产生持续的微小振动，任何一种振动都足以抛出光信号。因此，美国宇航局和林肯实验室的工程师将把光学系统放在一个反抖动平台上。这个平台测量航天器的抖动，产生相反的振动模式来消除它们"就像消除噪音的耳机,"康威尔 说。

图10 NASA将在加州的台山和新墨西哥州使用望远镜阵列。向猎户座的光通信系统发送和接收信息

O2O的最后一个障碍将是处理地球上的云层。

红外波长，如O2O的1550 nm，很容易被云吸收。

一束激光束可能会在离月球近40万公里的地方旅行，而不会受到任何影响，但只会在地球表面上方被阻挡。

防止一个信号丢失的最佳措施是将信号发送到多个接收器。例如，O2O将使用加州台山和新墨西哥州白沙的地面站。

总结

在未来的几年里，其他任务将测试激光通信在深空中是否运行良好。

在月球上工作和生活所需的通讯只能由激光提供。

幸运的是，这些激光器的未来看起来是光明的。

文 | Michael Kozio,Lunar Pioneers Will Use Lasers to Phone Home,11 Jul 2019 | 19:00 GMT，班长编译。

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