快速下载：为什么美国宇航局转向激光用于下一代空间通信-陌自动

　　美国国家航空航天局最近发射到太空的小行星猎人赛克号，旨在让我们瞥见一颗类似地球深处的天体，那是我们永远无法到达的。然而，伴随他旅程的一件仪器却让那些专攻一个完全不同领域的科学家们兴奋不已:太空通信。自太空时代开始以来，这些通信一直依赖于无线电波，这只是电磁频谱的一小部分。但科学家们希望很快将他们的研究范围扩大到光谱的另一部分。他们的目标是将激光添加到我们的宇宙通信工具中。

　　普赛克飞船的主要任务是探索一颗长232公里、土豆形状的小行星，其轨道距离太阳的距离大约是地球的三倍。其中一个主要理论认为，目标小行星，也被称为普赛克，是一颗可能的古老行星的金属核心，这颗行星在火星和木星之间的小行星带不断碰撞后失去了岩石表面。

　　如果是这样的话，探索它独特的铁、镍和岩石的混合物可能是我们最接近研究地球金属核心的方法。

　　宇宙飞船将需要6年的时间才能到达地球，并查明对小行星金属表面的测量是否正确。如果是这样的话，我们可能会发现自己遇到了一个比20世纪40年代和50年代的纸浆作家想象的更外星的物体，由于与其他小行星相遇，金属喷射物冻结成奇怪的形状。

　　但空间通信领域的研究人员将很快看到结果。深空光通信(DSOC)测试将是第一次在月球之外进行激光或光通信的演示，并可能促进宇航员重返月球，并实现下一个重大飞跃:前往火星。这也是开启空间通信新时代的关键一步。

　　如果这个和其他测试如预期的那样工作，激光将为主要的行星外通信系统——深空网络(DSN)——所面临的带宽限制提供急需的提升。深空网络无线电天线所在的三个地点面临着严重的交通堵塞。这三个地点分别位于西班牙、澳大利亚和加利福尼亚沙漠，每个地点都有一个70米的卫星碟形天线，相距120度。目前，几十个太空任务的需求，从詹姆斯·韦伯望远镜到小型商业卫星(付费服务)，都必须争夺网络时间。

　　NASA空间通信与导航(SCaN)办公室的深空网络项目经理Mike Levesque说:“多个任务之间可能会有相互冲突的请求。”“今天有20%的请求没有得到满足。随着时间的推移，这个问题只会变得更糟。到2030年这一比例将达到40%。”

　　在不久的将来，还将发射另外40个太空任务，每个任务都需要通信网络时间。更重要的是，其中一些任务将是载人的，当宇航员在月球上工作、建造实验室和避难所时，仪器会传输高清视频和新陈代谢数据。他们不会想要被告知等待商业立方体卫星，这种微型卫星传输各种类型的科学数据并提供互联网连接，并且在近地轨道上激增。

　　“对于科学来说，延迟可能是可以接受的，但对于人类任务，我们需要所有人齐心协力，”SCaN的项目主管杰森·米切尔(Jason Mitchell)说。“当我们登上月球并计划前往火星时，我们看到了人类宇航员想要什么，科学仪器也将随之发展。我们每天可以发送数tb的数据。”

　　在最近发布的演示测试中，研究人员的目标是利用激光在无线电波上增加的信息承载能力。电磁波谱中近红外波段的波长非常小，以纳米为单位，而频率非常高，因此在相同的空间内可以容纳更多的信息，数据速率比无线电快10到100倍。

　　一个奇怪的太阳系被发现，其中有六颗行星以同样的节奏不停地“跳舞”

　　“这就是为什么光学是一个很好的选择，”米切尔说。“数据传输速度非常快。”

　　对于类似的功能，激光系统也可以比无线电系统更小，因此它们需要更少的功率，这是航天器在离家数亿公里的地方飞行时的另一个重要因素。

　　美国宇航局将首次在深空测试激光通信，在那里光的光学频率每秒可以携带比无线电信号多10到100倍的信息。(下面的图表比较了左侧无线电波和右侧近红外激光传输的数据量(白框)。)激光信号(红色)比无线电信号(浅蓝色)窄得多，这可以提高空间通信的安全性，但也使传输即使对小的不匹配也很敏感。美国宇航局/戈达德太空飞行中心

　　在过去的十年里，美国宇航局一直在各种环境中测试这项新技术，从近地轨道到月球。普赛克搭载的仪器将使首次深空测试成为可能，这是一个重要的里程碑，因为光通信存在缺陷。由于激光束很窄，它必须非常精确地指向地球上的接收器，这一挑战随着距离的增加而增加。

　　美国宇航局喷气推进实验室的DSOC项目技术专家阿比吉特·比斯瓦斯(Abhijit Biswas)制造了这台仪器，他把这种困难比作试图从一英里(1.6公里)外击中一枚移动的硬币。即使是轻微的震动也会造成干扰:为了保持普赛克上收发器的稳定，喷气推进实验室安装了特殊的支柱和执行器，以将其与81英尺长的航天器的振动隔离开来。

　　其他潜在的问题还包括地球上的云层会阻挡光束，以及随着距离的增加和光束的散射，信号会明显减弱。这限制了它们在火星以外的距离上的使用，至少以目前的技术是这样。因此，测试将只在任务的头两年进行，之后航天器将进一步到达小行星本身。

　　由于这些原因，以及目前还没有地面光学接收器网络的事实，没有人预测激光通信何时会取代无线电波。但我可以添加一个新频道。比斯瓦斯表示:“未来的运营将以多元化为目标。

　　2023年10月，普赛克飞船开始了前往同名小行星的漫长旅程。美国国家航空航天局/姓名/ ASU;图片由彼得·鲁宾创作

　　在普赛克飞船上的测试中，位于南加州桌山的一个5千瓦的发射机将发送一个低速通信数据包——没有什么奇怪的，大部分是随机的模式，比斯瓦斯解释说——到连接在飞船8.6英寸望远镜上的激光收发器上。该仪器将利用一个对光粒子或光子进行计数的摄像机，锁定光束并下载信息，然后将其高速传输到位于圣地亚哥附近帕洛马山上的22英寸黑尔望远镜(Hale telescope)，在那里它可以将其精度与原始数据进行比较。