遨遊宇宙如何溝通?解讀神秘的太空通信

1太空通信的始祖：無線電通信

    人類對於未知事物總是充滿好奇，而在眾多的未知事物之中，宇宙（或者說是外太空）無疑是最為神秘的，因此人類對於宇宙的探索從未停歇，並將其視為科學研究的終極目標之一。

    隨著科學技術的進步，今天我們已經可以藉助多種方式探索宇宙的奧秘，包括望遠鏡、宇宙飛船（太空飛行器）、衛星、空間站等等。特別是隨著太空飛行器的出現，更成為了我們探索宇宙的利器——人類遨遊宇宙已經不再是夢想（此時可回憶一下《星際迷航》等宇宙題材類電影中的景象）。那麼現在問題來了，這些太空飛行器（包括衛星、空間站等）是如何與地球保持通信的呢？語音、數據、甚至是視頻圖像又是如何進行傳輸的呢？如果你想知道答案的話，下面有關太空通信的精彩內容你絕對不能錯過！

    首先讓我們來回顧一個激動人心的歷史瞬間——1957年由蘇聯製造的第一顆人造衛星發射成功，該衛星就內置了一臺無線電發報機，其從太空不斷地向地面接收站發送「滴滴」的信號。因此無線電通信就成了最早的太空通信方式，並且已經沿用至今，例如我們的通信衛星。

    而隨著人類探索宇宙步伐的加快，衛星已經不只停留在近地軌道，而是已經開始不斷向外拓展（例如繞月軌道）；與此同時，太空飛行器已經完成月球、火星等探索，並在向更遠的深空不斷前行。此時，太空通信已不僅僅是簡單的衛星與地面的通信（稱為星地通信），還包括衛星（太空飛行器）之間的通信，以及藉助中繼衛星實現的星地通信等。

星地通信、太空飛行器間通信以及中繼通信（圖片來自Google）

    其實早期的深空探測器並不是藉助中繼衛星與地面通信的，而是採用最為直接的星地通信方式，例如美航天局1977年所發射探測器——旅行者一號。

旅行者一號（圖片來自Google）

    如上圖所示，旅行者一號配備了一個巨大的「鍋」式天線，其直徑達3.7米，然後與地球上直徑高達37米的接收天線（也是「鍋」）進行通信，然而這種通信方式只能待兩個天線對準時才能通信，通信效率可想而知，因此為了提升通信效率，中繼衛星應運而生。

中繼衛星——美國奧德賽衛星（圖片來自Google）

    最早投入應用的中繼衛星就是美國部署在木星軌道上的奧德賽衛星，其作用是將火星探測車的數據傳回地球。而如今，在地球軌道之上，也有著眾多的中繼衛星，比如美國的TDRS，中國的天鏈，日本的DRTS等等，它們已經成為了星地通信之間的高效溝通「橋梁」。

    而無論是星地通信（包括中繼），還是衛星（太空飛行器）間通信，均是藉助無線電通信技術來實現的，但無線電通信技術有著自身的缺陷，首先是根據軌道（距離）的不同，存在多種通信波段（包括L、S、C、K、Ku、Ka等），而相同波段間的幹擾，就會影響通信質量；其次，目前深空探測主要手段就是提升天線增益、提高通信頻率、降低噪聲，而想要提升天線增益，要麼加大天線面積，要麼增加天線數量，但都會加大太空飛行器本身的負擔；當然，最為重要的是，視頻溝通必將成為太空通信的新趨勢，而無線電通信的帶寬（數據傳輸速度）難以滿足這一要求，因此雷射通信成為了新的焦點。

2被視為「太空寬帶」的雷射通信

    雷射通信：被視為「太空寬帶」

    什麼是雷射通信？其實雷射本質上也是一種電磁波，其基本通信原理與無線電通信原理相似，即利用雷射束作為載體，將數據信號調製到光載波上進行傳輸，因此也可以稱之為空間光通信。

雷射通信（圖片來自Google）

    剛剛我們已經談到了無線電通信在太空通信應用中的不足之處，而雷射通信則可以很好地解決這些問題。首先，其開闢了全新的通信頻道使調製帶寬可以顯著增加，即提升通信帶寬和數據傳輸速度，因此其被視為「太空寬帶」；其次，其能將光功率集中在非常窄的光束之中，這使得相關器件的尺寸、重量和功耗都將明顯降低，而低功耗也更適用與中繼衛星（傳統中繼衛星難以滿足遠距離、高功率無線電通信傳輸需求）；第三，各通信鏈路間的電磁幹擾小，通信質量更高；第四，雷射本身具備出色的保密性，可有效防止竊聽。

    其實雷射通信已在我們的生活中得到廣泛的應用，比如家中的光纖寬帶網絡等，但要說到將雷射通信真正應用於太空通信之中，還是最近幾年的事情。例如，2008年3月間，美國NFIRE衛星與德國TerraSAR-X衛星使用雷射終端成功進行了太空寬帶數據傳輸，兩顆衛星在距離5000公裡宇宙空間建立了光學連結，並以5.5Gbps的數據傳輸速度完美地實現了雙向操作，這一數據傳輸速度相當於每小時傳輸20萬張A4文件或400張DVD。

    隨後，美國國家航空航天局（NASA）又利用雷射通信將「蒙娜麗莎」送上月球，而為了將名畫《蒙娜麗莎的微笑》傳輸到繞月飛行的「月球勘測軌道飛行器」上，NASA先將這幅名畫進行數字編碼，並分解為152×200個像素，然後將每個像素都變為雷射脈衝，從地面基站傳輸給38萬公裡外的「月球勘測軌道飛行器」上，這次傳輸的速度約為300比特每秒。

    而在2012年10月，俄羅斯的國際空間站也首次利用雷射通信將電子數據傳送到地面接收站——其傳輸的數據量為2.8GB，傳輸速度達到了1000Mbps。

NASA用雷射束從太空傳回37秒高清視頻 耗時僅3.5秒

    當然，近期最受關注的事件當屬2014年6月NASA展示的雷射通信技術在實際應用中取得的突破性進展——從國際空間站成功向地面發送了一個37秒的，名為「你好，世界！」的高清視頻，用時僅3.5秒，傳輸速度比傳統的無線電通信快10到1000倍。

3我國在太空通信領域取得新突破

    我國的太空通信：起步晚 發展快

    作為一種可能從根本上改變太空通信的技術，雷射通信早在上個世紀就吸引了不少航天航空大國的高度關注。其中最早行動的是美國，早在上世紀60年代中期就開始實施空間光通信方面的研究計劃，著名的噴氣推進實驗室、林肯實驗室、貝爾實驗室等都加入其中；隨後進入80年代，日本和歐洲空間局也開始了空間光通信的相關研究。相比之下，我國的空間光通信研究起步較晚，但發展速度卻非常喜人，目前與國外的先進水平差距並不大。

    在2012年3月，我國的「海洋二號」衛星第一次搭載進行了中國首次星地雷射通信實驗，並取得了圓滿成功——將衛星和地面用雷射連結起來，真正形成了宇宙空間與地面之間的信息高速公路。而據了解，此次試驗的難點在於高速運動中的衛星與光通信地面站，在近2000公裡距離的情況下要實現精度遠高於「針尖對麥芒」的動態光束雙向鎖定跟蹤，而我們最終順利地突破了這一難點，為實驗成功打下了堅實的基礎。

我國成為繼美國之後第二個完成太空授課的國家（圖片來自網絡）

    我國還是繼美國之後第二個完成太空授課的國家。2013年06月20日上午10時，神舟十號航天員在天宮一號開展基礎物理實驗，即太空授課，此次課程持續了45分鐘，內容為展示並講解太空中的失重現象等。

我國成為繼美國之後第二個完成太空授課的國家（圖片來自網絡）

    值得一提的是，以往的載人航天任務受帶寬限制，航天員在太空中只能聽到聲音卻無法看到地面的高清畫面，而此次太空授課是通過天鏈衛星進行數據「中轉」傳送，實現了雙向實時授課畫面，以及天地之間的視頻提問和回答。

    突破：我國星地量子通信研發成功可兼容雷射通信

    雖然目前雷射通信仍處於試驗階段，但我國已經將目光瞄向了太空通信更遙遠的未來，即量子通信。量子通信因其超光速、遠距離的傳輸特性，以及絕對保密（安全）的優勢，同樣引起了航空航天大國的高度關注，其中中國在這一技術領域的研究可謂相當積極。

    特別是在技術研究方面，目前我國中科院的研究人員已經將自動交換光網絡（ASON）引入量子通信網絡之中，並研發出了一種兼容雷射通信的「星地量子通信系統」，該系統的最大創新就是可以使用一套光學收發系統和跟蹤瞄準系統，實現在星地之間同時進行量子通信和雷射通信。與此同時，我國還利用平流層平臺進行了自由空間量子通信的研究，實現了光信號長距離超光速的傳輸，並均已申請專利。

4突破「太空寬帶」瓶頸 勾勒美好未來

    雷射通信：仍需突破「瓶頸」

    雷射通信技術雖好，但目前仍處於試驗/試用階段，還有不少瓶頸需要突破：

    第一，大氣對雷射通信信號有吸收和散射的作用，同時大氣湍流還會嚴重地影響信號的接收；此外，雖然雷射通信不會像無線電通信一樣受到電磁幹擾，但存在於大氣中的與雷射波長相近的粒子（例如氣體分子、水霧、霾等）則會引起光的吸收和散射，從而影響光波的傳輸質量，而在遇到強大的氣湍流時，這種影響更加明顯。相信細心的朋友已經發現，在此前我們介紹各航空航天大國的試驗中，衛星（太空飛行器）間的數據傳輸速度要明顯高於星地間的數據傳輸速度，這主要就是因為大氣的影響。

    還好，目前很多國家為克服雷射通信在星地傳輸時易受到大氣影響的缺點而不懈努力著，並已經取得階段性成果，即將載有通信信息的雷射束沿著直徑小於0.1毫米的優質光學纖維波導傳輸，可減少大氣的影響。

    第二，雷射發射機與接收機之間的瞄準仍是難題。在前文中我們已經談到，要利用雷射通信完成遠距離衛星間或星地間的發射與接收，就必須進行遠距離衛星間（或飛行器間）、衛星與地面站之間的捕獲與跟蹤，既依賴於雷射通信系統，又取決於光學跟瞄系統。雖然目前包括我國在內的幾個國家已經實現了星地之間的動態光束雙向鎖定跟蹤，但同時移動的衛星間的鎖定與跟蹤則仍需取得突破。

    第三，雷射發射和接收天線的效率會對傳輸質量產生影響，出於獲取最小光斑的目的，發射天線的設計要接近衍射極限，這就給接收天線精確對準帶來了挑戰，理論上接收天線直徑越大接收效果越好，效率越高，但這又會帶來衛星（飛行器）體積和重量的增加，如何取得兩者的平衡很重要。而取得突破的關鍵則是要藉助創新技術提高接收天線的靈敏度。

    第四，超遠距離傳輸也存在隱憂（信號衰弱和時延），想要實現更多、更遠的深空探索，仍需突破距離瓶頸。

    雷射通信為我們勾勒美好未來

    雖然現階段星地、衛星間仍以無線電通信為主流，但通過我們的介紹不難看出，雷射通信已經為我們勾勒出了美好的太空通信未來——按照NASA的設想，藉助雷射通信技術建立太空通信系統，以實現「太空—地球」的遠距、大數據通信。屆時，我們不僅可以實時與月球視頻通信，甚至可以與木星或是更遙遠的星球進行實時視頻通信。

    而雷射通信技術將不僅僅應用於太空，作為星地間數據傳輸的關鍵技術，其將實現與地面光纖網絡的互補，從而建立起立體交叉光網，在外太空衛星和大氣層內外形成高帶寬通信網，從而徹底顛覆目前全球通信系統（海底光纜+衛星與地面間的無線電通訊），打造可滿足物聯網時代需求的大帶寬網絡（雷射通信的速度可達2-10Gbps）。

    今天，聯接已經成為現代社會之中最基本的生活要素，就像空氣和水一樣無處不在，一個全聯接的地球正在形成。而隨著以雷射通信、量子通信為代表的新一代太空通信技術的出現，我們相信，今天如電影《星際迷航》中的誇張特效景象，在不久的將來極有可能成為現實（至少跨星球的視頻通信將不再是夢）！