主頁(yè)（http://www.130131.com）：遨游宇宙如何溝通？解讀神秘的太空通信

人類對(duì)于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(shuō)是外太空）無(wú)疑是最為神秘的，因此人類對(duì)于宇宙的探索從未停歇，并將其視為科學(xué)研究的終極目標(biāo)之一。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，今天我們已經(jīng)可以借助多種方式探索宇宙的奧秘，包括望遠(yuǎn)鏡、宇宙飛船（航天器）、衛(wèi)星、空間站等等。特別是隨著航天器的出現(xiàn)，更成為了我們探索宇宙的利器——人類遨游宇宙已經(jīng)不再是夢(mèng)想（此時(shí)可回憶一下《星際迷航》等宇宙題材類電影中的景象）。那么現(xiàn)在問(wèn)題來(lái)了，這些航天器（包括衛(wèi)星、空間站等）是如何與地球保持通信的呢？語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、甚至是視頻圖像又是如何進(jìn)行傳輸?shù)哪�？如果你想知道答案的話，下面有關(guān)太空通信的精彩內(nèi)容你絕對(duì)不能錯(cuò)過(guò)！

首先讓我們來(lái)回顧一個(gè)激動(dòng)人心的歷史瞬間——1957年由蘇聯(lián)制造的第一顆人造衛(wèi)星發(fā)射成功，該衛(wèi)星就內(nèi)置了一臺(tái)無(wú)線電發(fā)報(bào)機(jī)，其從太空不斷地向地面接收站發(fā)送“滴滴”的信號(hào)。因此無(wú)線電通信就成了最早的太空通信方式，并且已經(jīng)沿用至今，例如我們的通信衛(wèi)星。

而隨著人類探索宇宙步伐的加快，衛(wèi)星已經(jīng)不只停留在近地軌道，而是已經(jīng)開(kāi)始不斷向外拓展（例如繞月軌道）；與此同時(shí)，航天器已經(jīng)完成月球、火星等探索，并在向更遠(yuǎn)的深空不斷前行。此時(shí)，太空通信已不僅僅是簡(jiǎn)單的衛(wèi)星與地面的通信（稱為星地通信），還包括衛(wèi)星（航天器）之間的通信，以及借助中繼衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)的星地通信等。

星地通信、航天器間通信以及中繼通信（圖片來(lái)自Google）

其實(shí)早期的深空探測(cè)器并不是借助中繼衛(wèi)星與地面通信的，而是采用最為直接的星地通信方式，例如美航天局1977年所發(fā)射探測(cè)器——旅行者一號(hào)。

旅行者一號(hào)（圖片來(lái)自Google）

如上圖所示，旅行者一號(hào)配備了一個(gè)巨大的“鍋”式天線，其直徑達(dá)3.7米，然后與地球上直徑高達(dá)37米的接收天線（也是“鍋”）進(jìn)行通信，然而這種通信方式只能待兩個(gè)天線對(duì)準(zhǔn)時(shí)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(wèi)星應(yīng)運(yùn)而生。

中繼衛(wèi)星——美國(guó)奧德賽衛(wèi)星（圖片來(lái)自Google）

最早投入應(yīng)用的中繼衛(wèi)星就是美國(guó)部署在木星軌道上的奧德賽衛(wèi)星，其作用是將火星探測(cè)車的數(shù)據(jù)傳回地球。而如今，在地球軌道之上，也有著眾多的中繼衛(wèi)星，比如美國(guó)的TDRS，中國(guó)的天鏈，日本的DRTS等等，它們已經(jīng)成為了星地通信之間的高效溝通“橋梁”。

而無(wú)論是星地通信（包括中繼），還是衛(wèi)星（航天器）間通信，均是借助無(wú)線電通信技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但無(wú)線電通信技術(shù)有著自身的缺陷，首先是根據(jù)軌道（距離）的不同，存在多種通信波段（包括L、S、C、K、Ku、Ka等），而相同波段間的干擾，就會(huì)影響通信質(zhì)量；其次，目前深空探測(cè)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，要么加大天線面積，要么增加天線數(shù)量，但都會(huì)加大航天器本身的負(fù)擔(dān)；當(dāng)然，最為重要的是，視頻溝通必將成為太空通信的新趨勢(shì)，而無(wú)線電通信的帶寬（數(shù)據(jù)傳輸速度）難以滿足這一要求，因此激光通信成為了新的焦點(diǎn)。

第2頁(yè)：被視為“太空寬帶”的激光通信

激光通信：被視為“太空寬帶”

什么是激光通信？其實(shí)激光本質(zhì)上也是一種電磁波，其基本通信原理與無(wú)線電通信原理相似，即利用激光束作為載體，將數(shù)據(jù)信號(hào)調(diào)制到光載波上進(jìn)行傳輸，因此也可以稱之為空間光通信。

激光通信（圖片來(lái)自Google）

剛剛我們已經(jīng)談到了無(wú)線電通信在太空通信應(yīng)用中的不足之處，而激光通信則可以很好地解決這些問(wèn)題。首先，其開(kāi)辟了全新的通信頻道使調(diào)制帶寬可以顯著增加，即提升通信帶寬和數(shù)據(jù)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(guān)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(wèi)星（傳統(tǒng)中繼衛(wèi)星難以滿足遠(yuǎn)距離、高功率無(wú)線電通信傳輸需求）；第三，各通信鏈路間的電磁干擾小，通信質(zhì)量更高；第四，激光本身具備出色的保密性，可有效防止竊聽(tīng)。

其實(shí)激光通信已在我們的生活中得到廣泛的應(yīng)用，比如家中的光纖寬帶網(wǎng)絡(luò)等，但要說(shuō)到將激光通信真正應(yīng)用于太空通信之中，還是最近幾年的事情。例如，2008年3月間，美國(guó)NFIRE衛(wèi)星與德國(guó)TerraSAR-X衛(wèi)星使用激光終端成功進(jìn)行了太空寬帶數(shù)據(jù)傳輸，兩顆衛(wèi)星在距離5000公里宇宙空間建立了光學(xué)鏈接，并以5.5Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速度完美地實(shí)現(xiàn)了雙向操作，這一數(shù)據(jù)傳輸速度相當(dāng)于每小時(shí)傳輸20萬(wàn)張A4文件或400張DVD。

隨后，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）又利用激光通信將“蒙娜麗莎”送上月球，而為了將名畫《蒙娜麗莎的微笑》傳輸?shù)嚼@月飛行的“月球勘測(cè)軌道飛行器”上，NASA先將這幅名畫進(jìn)行數(shù)字編碼，并分解為152×200個(gè)像素，然后將每個(gè)像素都變?yōu)榧す饷}沖，從地面基站傳輸給38萬(wàn)公里外的“月球勘測(cè)軌道飛行器”上，這次傳輸?shù)乃俣燃s為300比特每秒。

而在2012年10月，俄羅斯的國(guó)際空間站也首次利用激光通信將電子數(shù)據(jù)傳送到地面接收站——其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為2.8GB，傳輸速度達(dá)到了1000Mbps。

NASA用激光束從太空傳回37秒高清視頻 耗時(shí)僅3.5秒

當(dāng)然，近期最受關(guān)注的事件當(dāng)屬2014年6月NASA展示的激光通信技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中取得的突破性進(jìn)展——從國(guó)際空間站成功向地面發(fā)送了一個(gè)37秒的，名為“你好，世界！”的高清視頻，用時(shí)僅3.5秒，傳輸速度比傳統(tǒng)的無(wú)線電通信快10到1000倍。

第3頁(yè)：我國(guó)在太空通信領(lǐng)域取得新突破

我國(guó)的太空通信：起步晚 發(fā)展快

作為一種可能從根本上改變太空通信的技術(shù)，激光通信早在上個(gè)世紀(jì)就吸引了不少航天航空大國(guó)的高度關(guān)注。其中最早行動(dòng)的是美國(guó)，早在上世紀(jì)60年代中期就開(kāi)始實(shí)施空間光通信方面的研究計(jì)劃，著名的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、林肯實(shí)驗(yàn)室、貝爾實(shí)驗(yàn)室等都加入其中；隨后進(jìn)入80年代，日本和歐洲空間局也開(kāi)始了空間光通信的相關(guān)研究。相比之下，我國(guó)的空間光通信研究起步較晚，但發(fā)展速度卻非常喜人，目前與國(guó)外的先進(jìn)水平差距并不大。

在2012年3月，我國(guó)的“海洋二號(hào)”衛(wèi)星第一次搭載進(jìn)行了中國(guó)首次星地激光通信實(shí)驗(yàn)，并取得了圓滿成功——將衛(wèi)星和地面用激光鏈接起來(lái)，真正形成了宇宙空間與地面之間的信息高速公路。而據(jù)了解，此次試驗(yàn)的難點(diǎn)在于高速運(yùn)動(dòng)中的衛(wèi)星與光通信地面站，在近2000公里距離的情況下要實(shí)現(xiàn)精度遠(yuǎn)高于“針尖對(duì)麥芒”的動(dòng)態(tài)光束雙向鎖定跟蹤，而我們最終順利地突破了這一難點(diǎn)，為實(shí)驗(yàn)成功打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

我國(guó)成為繼美國(guó)之后第二個(gè)完成太空授課的國(guó)家（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

我國(guó)還是繼美國(guó)之后第二個(gè)完成太空授課的國(guó)家。2013年06月20日上午10時(shí)，神舟十號(hào)航天員在天宮一號(hào)開(kāi)展基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)，即太空授課，此次課程持續(xù)了45分鐘，內(nèi)容為展示并講解太空中的失重現(xiàn)象等。

我國(guó)成為繼美國(guó)之后第二個(gè)完成太空授課的國(guó)家（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

值得一提的是，以往的載人航天任務(wù)受帶寬限制，航天員在太空中只能聽(tīng)到聲音卻無(wú)法看到地面的高清畫面，而此次太空授課是通過(guò)天鏈衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)據(jù)“中轉(zhuǎn)”傳送，實(shí)現(xiàn)了雙向?qū)崟r(shí)授課畫面，以及天地之間的視頻提問(wèn)和回答。

突破：我國(guó)星地量子通信研發(fā)成功可兼容激光通信

雖然目前激光通信仍處于試驗(yàn)階段，但我國(guó)已經(jīng)將目光瞄向了太空通信更遙遠(yuǎn)的未來(lái)，即量子通信。量子通信因其超高速、超遠(yuǎn)距離的傳輸特性，以及絕對(duì)保密的優(yōu)勢(shì)，同樣引起了航空航天大國(guó)的高度關(guān)注，其中中國(guó)在這一技術(shù)領(lǐng)域的研究可謂相當(dāng)積極。

特別是在技術(shù)研究方面，目前我國(guó)中科院的研究人員已經(jīng)將自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)（ASON）引入量子通信網(wǎng)絡(luò)之中，并研發(fā)出了一種兼容激光通信的“星地量子通信系統(tǒng)”，該系統(tǒng)的最大創(chuàng)新就是可以使用一套光學(xué)收發(fā)系統(tǒng)和跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在星地之間同時(shí)進(jìn)行量子通信和激光通信。與此同時(shí)，我國(guó)還利用平流層平臺(tái)進(jìn)行了自由空間量子通信的研究，實(shí)現(xiàn)了光信號(hào)長(zhǎng)距離超光速的傳輸，并均已申請(qǐng)專利。

第4頁(yè)：突破“太空寬帶”瓶頸 勾勒美好未來(lái)

激光通信：仍需突破“瓶頸”

激光通信技術(shù)雖好，但目前仍處于試驗(yàn)/試用階段，還有不少瓶頸需要突破：

第一，大氣對(duì)激光通信信號(hào)有吸收和散射的作用，同時(shí)大氣湍流還會(huì)嚴(yán)重地影響信號(hào)的接收；此外，雖然激光通信不會(huì)像無(wú)線電通信一樣受到電磁干擾，但存在于大氣中的與激光波長(zhǎng)相近的粒子（例如氣體分子、水霧、霾等）則會(huì)引起光的吸收和散射，從而影響光波的傳輸質(zhì)量，而在遇到強(qiáng)大的氣湍流時(shí)，這種影響更加明顯。相信細(xì)心的朋友已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在此前我們介紹各航空航天大國(guó)的試驗(yàn)中，衛(wèi)星（航天器）間的數(shù)據(jù)傳輸速度要明顯高于星地間的數(shù)據(jù)傳輸速度，這主要就是因?yàn)榇髿獾挠绊憽?/p>

還好，目前很多國(guó)家為克服激光通信在星地傳輸時(shí)易受到大氣影響的缺點(diǎn)而不懈努力著，并已經(jīng)取得階段性成果，即將載有通信信息的激光束沿著直徑小于0.1毫米的優(yōu)質(zhì)光學(xué)纖維波導(dǎo)傳輸，可減少大氣的影響。

第二，激光發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的瞄準(zhǔn)仍是難題。在前文中我們已經(jīng)談到，要利用激光通信完成遠(yuǎn)距離衛(wèi)星間或星地間的發(fā)射與接收，就必須進(jìn)行遠(yuǎn)距離衛(wèi)星間（或飛行器間）、衛(wèi)星與地面站之間的捕獲與跟蹤，既依賴于激光通信系統(tǒng)，又取決于光學(xué)跟瞄系統(tǒng)。雖然目前包括我國(guó)在內(nèi)的幾個(gè)國(guó)家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了星地之間的動(dòng)態(tài)光束雙向鎖定跟蹤，但同時(shí)移動(dòng)的衛(wèi)星間的鎖定與跟蹤則仍需取得突破。

第三，激光發(fā)射和接收天線的效率會(huì)對(duì)傳輸質(zhì)量產(chǎn)生影響，出于獲取最小光斑的目的，發(fā)射天線的設(shè)計(jì)要接近衍射極限，這就給接收天線精確對(duì)準(zhǔn)帶來(lái)了挑戰(zhàn)，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(huì)帶來(lái)衛(wèi)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(guān)鍵則是要借助創(chuàng)新技術(shù)提高接收天線的靈敏度。

第四，超遠(yuǎn)距離傳輸也存在隱憂（信號(hào)衰弱和時(shí)延），如果激光通信不想被量子通信取代，這方面必須實(shí)現(xiàn)突破。

激光通信為我們勾勒美好未來(lái)

雖然現(xiàn)階段星地、衛(wèi)星間仍以無(wú)線電通信為主流，但通過(guò)我們的介紹不難看出，激光通信已經(jīng)為我們勾勒出了美好的太空通信未來(lái)——按照NASA的設(shè)想，借助激光通信技術(shù)建立太空通信系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)“太空—地球”的遠(yuǎn)距、大數(shù)據(jù)通信。屆時(shí)，我們不僅可以實(shí)時(shí)與月球視頻通信，甚至可以與木星或是更遙遠(yuǎn)的星球進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻通信。

而激光通信技術(shù)將不僅僅應(yīng)用于太空，作為星地間數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)，其將實(shí)現(xiàn)與地面光纖網(wǎng)絡(luò)的互補(bǔ)，從而建立起立體交叉光網(wǎng)，在外太空衛(wèi)星和大氣層內(nèi)外形成高帶寬通信網(wǎng)，從而徹底顛覆目前全球通信系統(tǒng)（海底光纜+衛(wèi)星與地面間的無(wú)線電通訊），打造可滿足物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代需求的大帶寬網(wǎng)絡(luò)（激光通信的速度可達(dá)2-10Gbps）。

今天，聯(lián)接已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)之中最基本的生活要素，就像空氣和水一樣無(wú)處不在，一個(gè)全聯(lián)接的地球正在形成。而隨著以激光通信、量子通信為代表的新一代太空通信技術(shù)的出現(xiàn)，我們相信，今天如電影《星際迷航》中的夸張?zhí)匦Ь跋螅�在不久的將�?lái)極有可能成為現(xiàn)實(shí)（至少跨星球的視頻通信將不再是夢(mèng)）！