美國宇航局將蒙娜麗莎照片從地球發(fā)送至月球勘測軌道器,左圖是傳輸之后的效果,顯然圖像變得失真,出現(xiàn)模糊,右圖是蒙娜麗莎原圖。
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(hào)隨距離增大而遞減。
據(jù)國外媒體報(bào)道,在太空中,沒有人會(huì)聽到你的尖叫——因?yàn)槁曇舨粫?huì)在真空中傳播,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(huì)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(hào)時(shí)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(hào)隨距離增大而遞減。面對(duì)日益增多的太空信號(hào)量,以及太陽系內(nèi)多顆人造衛(wèi)星和探測器交叉信號(hào)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(shí)代。
在地球上,無論你在哪里,通訊都是即時(shí)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(hào)傳輸較大距離時(shí),無線電波會(huì)擴(kuò)散,因此通訊傳輸需要大功率設(shè)備和大型天線。我們?cè)谔胀ㄓ嶎I(lǐng)域投入較大,相應(yīng)的技術(shù)不斷地升級(jí),目前地球至火星的信號(hào)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(hào)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?hào)連線進(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(gè)巨大無線電天線陣列,該天線網(wǎng)絡(luò)分布在全球3個(gè)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(shí),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(shí)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(shí)會(huì)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(jí)和改造,來應(yīng)對(duì)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(shí)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(duì)于火星通訊擁堵的顧慮和擔(dān)憂。”
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(jí)正在進(jìn)行之中。深空網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目主管桑尼•吉?jiǎng)诳怂梗⊿onny Giroux)說:“未來需求將遠(yuǎn)大于可用性。”據(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(gè)項(xiàng)目,對(duì)每個(gè)天線裝配4個(gè)獨(dú)立的深空接收器,這樣可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)天線完成4個(gè)天線的工作。太空飛船能同時(shí)向地球撥打電話,同時(shí)軟件可以分類數(shù)據(jù)流。這意味著地球軌道近30個(gè)太空飛船試著與地球建立通訊時(shí)能分類數(shù)據(jù),同時(shí)不會(huì)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(cuò)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(gè)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(shí)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(hào)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(hào)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(shí)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(hào)(Mars Cube One)”的中繼衛(wèi)星,它們將具有無線電中繼作用。“火星立方1號(hào)”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(shí)的信息,然后再發(fā)送至地面工作人員,整個(gè)過程確保一切運(yùn)行正常。
人們僅需等待1個(gè)小時(shí),就能知道價(jià)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(shí)有更多的權(quán)宜信息可能對(duì)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(huì)有什么問題)。“火星立方1號(hào)”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小),比普通衛(wèi)星小一些,價(jià)格相當(dāng)便宜一些。如果一切順利,類似的小型、廉價(jià)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(shí)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(shí),激光能夠在很遠(yuǎn)的距離保持一定的信號(hào)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(shí)月球勘測軌道器在檢查月球隕坑和地形結(jié)構(gòu)時(shí),同時(shí)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(hào)火星登陸器”一樣,它能夠提供實(shí)時(shí)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(gè)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(huì)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(tái)-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(gè)太空棲息基地,同時(shí)它是一個(gè)電力站和通訊站。同時(shí),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(shí),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?cè)俅翁剿鞯卦孪到y(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(jí)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(shí)刻保持警惕。(葉傾城)
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