來自美國宇航局Goddard 太空飛行中心的Katherine Schauer。

美國宇航局的激光通信中繼演示通信在激光鏈路。圖片來源: NASA's Goddard Space Flight Center

美國NASA激光通信中繼演示(LCRD)將使用激光通信系統(tǒng)將數(shù)據(jù)從太空傳輸?shù)降厍?。以下是關(guān)于NASA革命性的LCRD任務(wù)你需要知道的六件事。

1.激光通信將改變美國宇航局（NASA）從太空獲取信息的方式

自太空探索之初，美國宇航局就使用無線電頻率系統(tǒng)與宇航員和宇宙飛船聯(lián)系。然而，隨著空間任務(wù)產(chǎn)生和收集更多的數(shù)據(jù)，對加強(qiáng)通信能力的需求也在增加。LCRD利用激光通信的能量，激光通信使用紅外光而不是無線電波，對地球和地球之間的信息進(jìn)行編碼和傳輸。

無線電波和激光紅外光都是電磁輻射的形式，其波長在光譜上的不同點。任務(wù)將他們的科學(xué)數(shù)據(jù)編碼到電磁信號中，然后發(fā)送回地球。

用于激光通信的紅外光不同于無線電波，因為它的頻率要高得多，這使得工程師可以在每次傳輸中打包更多的數(shù)據(jù)。更多的數(shù)據(jù)會同時產(chǎn)生更多關(guān)于太空的信息和發(fā)現(xiàn)。

利用紅外激光，LCRD將從地球同步軌道以1.2千兆每秒(Gbps)的速度向地球發(fā)送數(shù)據(jù)。在這樣的速度和距離下，你可以在一分鐘內(nèi)下載一部電影。

來源: Pixabay/CC0 Public Domain

2.激光通信將使航天器通過單一下行鏈路發(fā)送更多數(shù)據(jù)

如果你生活在80年代末90年代初，你會記得地面網(wǎng)絡(luò)的撥號速度——緩慢而痛苦。在航天器上增加激光通信類似于人類使用光纖網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的高速互聯(lián)網(wǎng):革命性的。

同樣的概念——除去光纜——也被應(yīng)用于空間激光通信，這使得航天器能夠通過激光鏈路發(fā)送高分辨率的圖像和視頻。

隨著激光通信的到位，航天器可以在一次下載中發(fā)送回更多的數(shù)據(jù)。美國國家航空航天局和航空航天工業(yè)正在利用這些新發(fā)展，并創(chuàng)建更多的任務(wù)，使用激光補(bǔ)充無線電頻率衛(wèi)星。

如今，我們的家庭網(wǎng)絡(luò)連接使得高清視頻、節(jié)目和內(nèi)容幾乎可以瞬間到達(dá)屏幕。這在一定程度上是由于光纖連接通過塑料或玻璃電纜發(fā)送密集數(shù)據(jù)的激光，創(chuàng)造了更快的用戶體驗。

3.有效載荷有兩個光學(xué)模塊或望遠(yuǎn)鏡，用于接收和發(fā)射激光信號

無線電波和光波來源：NASA

LCRD是一種中繼衛(wèi)星，具有許多高度敏感的組件，提供更多的通信。作為中繼，LCRD消除了用戶任務(wù)與地球上天線的直接視線的需要。LCRD有兩個光學(xué)終端——一個終端接收來自用戶航天器的數(shù)據(jù)，而另一個終端將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降厍蛏系牡孛嬲尽?/p>

LCRD的調(diào)制解調(diào)器將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成激光信號，然后通過中繼的光模塊通過人眼看不見的編碼光束進(jìn)行傳輸。LCRD既可以發(fā)送數(shù)據(jù)，也可以接收數(shù)據(jù)，為往返太空的任務(wù)數(shù)據(jù)創(chuàng)建了一條連續(xù)的路徑。這些能力使LCRD成為NASA的第一個雙向端到端光學(xué)中繼。

這些只是組成LCRD有效載荷的一些組件，所有這些都是一個大床墊的大小。

4. LCRD依賴于加利福尼亞和夏威夷的兩個地面站

一旦LCRD接收到信息并對其進(jìn)行編碼，有效載荷就會將數(shù)據(jù)發(fā)送到地球上的地面站，每個地面站都配備了接收光線的望遠(yuǎn)鏡和調(diào)制解調(diào)器，將編碼后的光線轉(zhuǎn)換回數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。

LCRD的地面站被稱為光學(xué)地面站(OGS) -1和-2，分別位于南加州的桌山和夏威夷毛伊島的Haleakalā火山上。

LCRD從空間站向地球傳輸數(shù)據(jù)來源：NASA/Dave Ryan

雖然激光通信可以提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，但大氣干擾——如云和湍流——會干擾激光信號在地球大氣中的傳播。

OGS-1和OSG-2的位置是根據(jù)其晴朗的天氣條件和偏遠(yuǎn)的高海拔位置選擇的。這些地區(qū)的大部分天氣都發(fā)生在山頂以下，因此相對晴朗的天空非常適合激光通信。

5. LCRD允許政府、學(xué)術(shù)界和商業(yè)伙伴從地球同步軌道測試激光能力

LCRD將證明來自地球同步軌道的激光通信系統(tǒng)的可行性，該軌道距離地球表面約2.2萬英里。

在支助其他特派團(tuán)之前，LCRD將用兩年時間進(jìn)行測試和實驗。在此期間，OGS-1和OGS-2將作為“任務(wù)”，將數(shù)據(jù)從一個站點發(fā)送到LCRD，然后向下發(fā)送到另一個站點。

LCRD將通過NASA、其他政府機(jī)構(gòu)、學(xué)術(shù)界和商業(yè)公司的實驗來測試激光的功能。其中一些實驗包括研究大氣對激光信號的干擾，并演示可靠的中繼服務(wù)操作。

美國宇航局的激光通信任務(wù)來源：NASA/Dave Ryan

這些測試將使航空航天界能夠從LCRD中學(xué)習(xí)，并進(jìn)一步改進(jìn)技術(shù)以供今后實施。美國國家航空航天局正在提供這些機(jī)會來發(fā)展激光通信的知識體系，并促進(jìn)其實際應(yīng)用。

實驗階段結(jié)束后，LCRD將支持太空任務(wù)，包括將安裝在國際空間站上的光學(xué)終端。該終端將收集船上科學(xué)實驗的數(shù)據(jù)，然后將信息發(fā)送給LCRD，再轉(zhuǎn)發(fā)給地球。

6. LCRD是眾多令人興奮和即將到來的激光任務(wù)之一

LCRD是NASA的第一個激光通信中繼系統(tǒng)。然而，有許多正在開發(fā)的任務(wù)將演示和測試額外的激光通信能力。

太字節(jié)紅外傳輸(TBIRD)立方體衛(wèi)星的有效載荷將演示激光下行速度為200gbps，這是激光通信數(shù)據(jù)速率的新記錄。

LCRD的第一個用戶將是空間站上的集成LCRD近地軌道用戶調(diào)制解調(diào)器和放大器終端(ILLUMA-T)。ILLUMA-T將為軌道實驗室提供1.2 Gbps的數(shù)據(jù)速率，以便將正在進(jìn)行的實驗的高分辨率圖像和視頻傳輸?shù)降厍蛏稀?/p>

獵戶座阿耳特米斯II型光通信系統(tǒng)(O2O)終端將通過紅外光在地球和阿耳特米斯II型繞月宇航員之間提供超高清視頻傳輸。

2026年，普賽克任務(wù)將到達(dá)它的目的地——一顆距離地球1.5億英里的小行星。普賽克將攜帶深空光通信(DSOC)有效載荷，以測試激光通信應(yīng)對深空探測帶來的獨(dú)特挑戰(zhàn)。

所有這些任務(wù)都將幫助航空航天界將激光通信標(biāo)準(zhǔn)化，以便在未來的任務(wù)中實施。有了激光的照耀，NASA可以從太空收集到比以往更多的信息。