太空通訊仍處于“撥號時代”，激光通訊是未來發(fā)展方向

在太空中，沒有人會聽到你的尖叫——因?yàn)槁曇舨粫谡婵罩袀鞑?，而且你需要某種類型的無線電波中繼攜載這些信息，況且太空距離非常遙遠(yuǎn)。無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)流都是通過無線電波傳輸至地球，廣義上講，無線電也是一種光，是一種非常微弱的光，無線電波具有光的波粒二象性。但這意味著空間通信會受到最棘手、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“撥號時代”

由于全球首顆人造衛(wèi)星發(fā)射于61年前，太空飛船依賴無線電波與地球進(jìn)行通訊。但是無線電波存在局限性，電波非常擁擠，更糟糕的是，無線電信號隨距離增大而遞減。面對日益增多的太空信號量，以及太陽系內(nèi)多顆人造衛(wèi)星和探測器交叉信號傳輸，美國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)入太空時代。

在地球上，無論你在哪里，通訊都是即時的，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。無線電波很容易穿過地球大氣層傳播，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)信號傳輸較大距離時，無線電波會擴(kuò)散，因此通訊傳輸需要大功率設(shè)備和大型天線。我們在太空通訊領(lǐng)域投入較大，相應(yīng)的技術(shù)不斷地升級，目前地球至火星的信號傳輸率為每秒1.5Mb，火星距離地球平均2億公里；地球至冥王星的信號傳輸率為每秒1Kb，冥王星距離地球75億公里。

美國宇航局推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室特別項(xiàng)目主管史蒂芬?利奇滕（Stephen Lichten）說：“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)送至太陽系之外，但是它們?nèi)匀灰該芴栠B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“深空網(wǎng)絡(luò)（DSN）”與地球進(jìn)行聯(lián)系，深空網(wǎng)絡(luò)是由美國宇航局運(yùn)營的一個巨大無線電天線陣列，該天線網(wǎng)絡(luò)分布在全球3個地點(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：“當(dāng)?shù)厍蜍壍辣椴纪ㄓ嵢蝿?wù)時，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。”

2017年，美國宇航局火星項(xiàng)目主管表示，美國宇航局非常關(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，屆時會有大量火星太空任務(wù)，其中包括：SpaceX、印度、阿聯(lián)酋、歐洲航天局和美國宇航局的火星探測器。作為回應(yīng)，利希滕說：“美國宇航局將進(jìn)行大量升級和改造，來應(yīng)對通訊超負(fù)荷現(xiàn)象，包括與其他國家建立合作關(guān)系，以及獲得美國摩海德州立大學(xué)的技術(shù)支持，在必要的時候使用其他機(jī)構(gòu)的天線設(shè)備。這些措施將很大程度地減少美國宇航局對于火星通訊擁堵的顧慮和擔(dān)憂?！?/p>

盡管如此，通訊容量問題并未消除，因此深空網(wǎng)絡(luò)天線陣列的更新升級正在進(jìn)行之中。深空網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目主管桑尼?吉勞克斯（Sonny Giroux）說：“未來需求將遠(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)營的分包合同。近期Peraton公司與美國宇航局共同開發(fā)了一個項(xiàng)目，對每個天線裝配4個獨(dú)立的深空接收器，這樣可以實(shí)現(xiàn)一個天線完成4個天線的工作。太空飛船能同時向地球撥打電話，同時軟件可以分類數(shù)據(jù)流。這意味著地球軌道近30個太空飛船試著與地球建立通訊時能分類數(shù)據(jù)，同時不會接收到一些熟知的樂曲。

甚至還有更好的解決辦法，美國宇航局正在測試一種叫做“中斷容錯網(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)，作為一個緩沖，避免信息延遲或者出現(xiàn)故障，未來太空飛船可能擁有自己的小型中繼站。目前，美國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。但是這兩顆探測器在這段時間里無法提供幫助，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，美國宇航局將部署兩顆叫做“火星立方1號（Mars Cube One）”的中繼衛(wèi)星，它們將具有無線電中繼作用?！盎鹦橇⒎?號”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”下降時的信息，然后再發(fā)送至地面工作人員，整個過程確保一切運(yùn)行正常。

人們僅需等待1個小時，就能知道價值10億美元的太空飛船是否完好。但是沒有人希望這樣做，同時有更多的權(quán)宜信息可能對于航天器安全著陸十分有益（或者理解如果不這樣做的話，會有什么問題）?！盎鹦橇⒎?號”衛(wèi)星長14.4英寸、寬9.5英寸、高4.6英寸（大約是科思科麥片盒大?。?，比普通衛(wèi)星小一些，價格相當(dāng)便宜一些。如果一切順利，類似的小型、廉價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，需要排列時間，并缺少帶寬。

激光通訊系統(tǒng)是未來發(fā)展方向

雖然目前而言無線電天線仍然是太空通信的支柱，但目前未來發(fā)展方向是激光通訊系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠編碼數(shù)據(jù)在一束可見光（與無線電波截然相反），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范圍比無線電波短1萬倍，意味著激光每秒能載波更多信息。因此，激光數(shù)據(jù)傳送速率是無線電波系統(tǒng)的10-100倍，同時，激光能夠在很遠(yuǎn)的距離保持一定的信號強(qiáng)度。

據(jù)悉，這項(xiàng)技術(shù)首次是2013年在月球軌道進(jìn)行測試，當(dāng)時月球勘測軌道器在檢查月球隕坑和地形結(jié)構(gòu)時，同時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，但是美國宇航局仍需要在更大范圍內(nèi)進(jìn)行測試。

“激光通信中繼演示任務(wù)（Laser Communications Relay Demonstration mission）”將于2019年全面展開，該任務(wù)是通過向衛(wèi)星傳送數(shù)據(jù)。緊隨其后的是“普賽克任務(wù)（Psyche）”，探測器能夠抵達(dá)一顆小行星黑色心臟區(qū)域，像“洞察號火星登陸器”一樣，它能夠提供實(shí)時勘測信息。普賽克任務(wù)的“深空光學(xué)通訊實(shí)驗(yàn)”將測試一個最新深空光端機(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)普賽克探測器最早于2022年發(fā)射升空。

月球勘測分析研究所（LEAG）退休主席、地球化學(xué)家克萊夫?尼爾（Clive Neal）稱，未來地球和月球之間的通信線路會變得更加繁忙，尤其是如果美國研發(fā)其長期計(jì)劃和備受爭議的“月球軌道平臺-大門”（簡稱LOP-G，可實(shí)現(xiàn)地月信息傳送）。LOP-G將是鄰近月球的一個太空棲息基地，同時它是一個電力站和通訊站。同時，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，太空通訊將變得尤為重要。

他還指出，當(dāng)前許多國家太空機(jī)構(gòu)開始勘測月球，而不是火星，這是美國曾勘測過的星球，未來美國將引領(lǐng)我們再次探索地月系統(tǒng)之外的空間。

就像所有事情那樣，金錢可能決定深空網(wǎng)絡(luò)的未來發(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)營商一直忙于處理維護(hù)升級該項(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)，需要時刻保持警惕。