如何在太空中使用激光通信？

半个多世纪以来，无线电波一直是太空通信的支柱。从尼尔-阿姆斯特朗（Neil Armstrong）标志性的登月第一句话到每天的卫星数据洪流，无线电频率一直在太空中可靠、安全地传输我们的信息。但是，随着太空任务产生的数据和太空商业活动呈指数级增长，我们的无线电处理能力已经达到极限。因此，工程师们开始寻求利用激光束的力量，为满足日益增长的太空通信需求提供解决方案。

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激光通信又称光通信或自由空间通信，它利用调制激光束在两点之间无线收发信息。激光的波长比无线电短得多，通过对激光进行数据编码，每秒可传输更多信息。这为超高速连接提供了希望，可以在数十年内加强人类在太空的存在。

美国国家航空航天局（NASA）和其他太空机构已经开始测试激光通信技术，为未来几年的运行过渡铺平道路。私营公司也看到了太空激光链路强大的商业潜力。从卫星之间纵横交错的光箭，到未来宇航员从月球前哨站以每秒千兆比特的速度下载数据，让我们来看看这项变革性技术将如何在不久的将来彻底改变太空通信。

我们为什么需要激光太空通信？
太空对速度的需求
美国国家航空航天局（NASA）传统上使用射频（RF）波进行太空通信，但对数据密集型应用的需求正在使射频技术捉襟见肘。光通信打开了电磁频谱的一个新部分，为打破这一僵局提供了一条出路。

激光的工作频率较高，约为 200 太赫兹，而无线电波的工作频率仅为几千兆赫兹。这一巨大飞跃可直接转化为更高的数据传输速率，因为在更高频率的载波光束上，每秒可编码更多的信息包。

这种向 "空间宽带 "的转变为高分辨率成像和表面扫描技术等数据密集型任务提供了支持。

更小、更轻的光学系统
使用激光的另一个好处是空间通信硬件的小型化。与无线电天线（如美国国家航空航天局的深空网络天线直径达 70 米）不同，激光发射器和接收器因波长较短而更小更轻。

这种重量的减轻对航天器至关重要，会影响发射成本和任务的灵活性。例如，美国国家航空航天局（NASA）的月球激光通信演示（LLCD）使用 0.5 瓦的小型激光器和 8 厘米的望远镜实现了高速通信，使其成为立方体卫星等小型卫星的优势。

更低功耗，更高的数据传输
激光通信的第三个优势是功耗更低，这直接源于光的物理学原理。射频信号在远距离高带宽链路中需要很高的传输功率。相比之下，激光通信的聚焦光束可最大限度地减少因传播或吸收而造成的功率浪费，从而提供更高的效率。

这种效率意味着更小的机载电池和太阳能电池阵列，这对人类探索任务至关重要。此外，激光通信的每瓦特数据传输性能优越，使其非常适合在未来的太空任务中实现资源高效利用，支持复杂的操作，而无需过多的能源消耗。

增强以太网的安全性
最后，激光束固有的方向性也使光通信比射频信道更加安全。由于无线电信号传播范围广，很容易受到拦截和干扰。相比之下，激光束沿着狭窄的路径精确瞄准，因此具有很强的抵御黑客攻击或破坏的能力。

随着全球太空存在的增加，安全通信变得至关重要，这使得激光技术成为太空任务、机构间通信和商业运营中传输敏感数据的首选方法。

新的激光通信任务将如何在太空中工作？
激光通信中继演示（LCRD）
美国国家航空航天局（NASA）的首个双向激光中继系统--激光通信中继演示（LCRD
激光通信中继演示（LCRD）于 2023 年 6 月 28 日迎来了其第一年的实验，它代表了一种变革性技术，有可能彻底改变空间数据传输。

与传统的航天器无线电波系统不同，激光通信中继演示系统采用红外光或不可见激光来发射和接收信号，有效地利用了红外光的紧密波长来显著放大数据传输，有可能使单次传输的数据量增加 10 到 100 倍。

LCRD 有两个光学终端，其中一个终端接收来自天基飞行器的数据，并将数据编码到激光束上。然后，第二个终端将编码后的数据从 LCRD 发送到地球站，供科学家分析。

正在进行的 LCRD 实验与多个组织合作，调查大气对激光信号的影响，评估未来任务的技术可行性，并测试在轨激光中继能力。这些实验利用了激光通信的超强数据容量，推动了太空任务中的数据传输。

国际空间站将利用 ILLUMA-T 获得超高速激光互联网
美国国家航空航天局（NASA）的集成式低地轨道用户调制解调器和放大器终端（ILLUMA-T）将通过 SpaceX 公司的一项任务发射到国际空间站，它将引入激光通信，以增强宇航员和轨道实验室实验的数据能力。

ILLUMA-T 将从空间站的实验中收集信息，并以每秒 1.2 千兆比特的速度将其传输到位于地球同步轨道上的 NASA LCRD。这个光通信系统提供更快的数据传输速率，将成为空间站的第一个激光终端，在空间站和地面站之间提供高效的数据传输。

向月球传输高速数据
猎户座阿特米斯 II 光通信系统（O2O）将在美国宇航局的猎户座飞船执行阿特米斯 II 登月任务期间引入激光通信技术。这项技术将传输月球探测的高分辨率图像和视频，是首次演示激光通信的载人月球飞行。

该系统将实现高达每秒 260 兆比特的下行链路速率，从而增强宇航员的数据访问能力，实现更多的科学探索。

将下一代光学链路引入深空
在地球和月球轨道之外，NASA 还在为火星及更远的行星探索开创激光通信技术。

在即将执行的前往火星和木星之间一颗富含金属的小行星的 "Psyche "任务中，NASA的深空光通信（DSOC）项目将挑战深空激光链路的极限。

DSOC收发器集成了先进的技术，包括一台光子计数相机和一台用于精确激光跟踪的望远镜。它将锁定从地面设施发射的高功率近红外激光上行链路，展示发送指令的能力。然后，收发器将利用其激光，通过装有专门探测器的望远镜向地球发送数据。

该项目将满足深空任务对高带宽数据传输日益增长的需求，为未来的太空事业推进通信技术。

拓展太空商业潜力
除了推进太空探索任务之外，迅速成熟的激光通信技术对商业部门也具有强烈的吸引力。卫星宽带供应商热衷于利用自由空间激光链路来大幅提升通信能力。

2019 年，SpaceX 向美国联邦通信委员会（FCC）提交了发射互联网星座的计划，该星座将包含多达 42000 颗相互连接的卫星，其中许多卫星可能使用激光交叉链路。

初创公司开普勒通信公司（Kepler Communications）同样寄希望于激光为未来的超大型物联网星座提供连接。

激光通信还有助于缓解无线电频段日益拥挤的问题。随着数以千计的卫星挤占了有用的轨道，联邦通信委员会（FCC）面临着频率分配方面不断升级的冲突。自由空间激光使用高度集中的隐形光束，可避免这种无线电通信拥塞，并能促进空间新通信基础设施的扩展。

太空通信的下一个巨大飞跃
从助推火箭腾空而起的火焰，到漫步在外星土地上的漫游者，我们对太空探索的憧憬仍然与自阿波罗时代以来镌刻在公众想象中的标志性图像息息相关。然而，将这些地面任务与控制人员、科学家和整个世界联系在一起的重要通信网络却不为人们所熟知。

当我们准备迎接太空探索和商业的新时代时，一场无声的革命正在使人类进入太空的无线连接中展开。随着 2020 年代的到来，激光将补充并取代无线电波，成为太空通信的首选媒介。

从地球同步轨道到环绕月球和火星的平台，无形的光束将纵横天际，以光速传输我们的数据。

就像 20 世纪 90 年代光纤重塑了地面通信一样，自由空间激光也将为我们向地球以外传输信息带来新的飞跃。这一转变将带来一系列任务，这些任务的动力来自太阳系中以指数级增长的数据，并将从根本上改变我们与太空本身的联系方式。
参考资料

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作者：Owais Ali