激光通信:以前所未有的力量赋予更多的数据

今年夏天启动的NASA激光通信中继演示(LCRD)将展示激光通信技术的动态力量。随着NASA在太空中的人类和机器人的不断增加,任务可以从与地球“对话”的新方式中受益。

自20世纪50年代太空飞行开始以来,NASA的任务一直利用无线电频率通信向太空发送数据。激光通信,也被称为光学通信,将进一步赋予任务以前所未有的数据能力。

自20世纪50年代太空飞行开始以来,NASA的任务就利用无线电频率通信向太空发送数据。激光通信,也被称为光通信,将进一步赋予任务前所未有的数据能力。

为什么要用激光?

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随着科学仪器不断发展,可以捕获像4K视频这样的高清晰度数据,任务将需要加快将信息传输到地球的方法。借助激光通信,NASA可以大大加快数据传输过程并实现更多发现。

与目前的无线电频率系统相比,激光通信能够向地球传输10到100倍的数据。用目前的无线电频率系统,将一份完整的火星地图传回地球大约需要9周的时间。使用激光,则需要大约9天。

此外,激光通信系统是任务的理想选择,因为它们需要更少的体积、重量和功率。更少的质量意味着更大的空间用于科学仪器,更少的功率意味着更少的航天器动力系统的消耗。这些都是NASA在设计和发展任务概念时非常重要的考虑因素。

“LCRD将展示使用激光系统的所有优势,并让我们学习如何最好地使用它们,”马里兰州格林贝尔特的NASA戈达德太空飞行中心的首席研究员大卫·伊斯雷尔(David Israel )说。“随着这种能力的进一步证实,我们可以开始在更多的任务中实施激光通信,使其成为发送和接收数据的标准化方式。”

激光通信如何运作

无线电波和红外光都是电磁辐射,其波长位于电磁波谱的不同点。像无线电波一样,红外光对人眼来说是看不见的,但我们每天都会遇到它,如电视遥控器和加热灯。

任务将他们的数据调制成电磁信号,以穿越宇宙飞船和地球上地面站之间的距离。在通信的过程中,电波向外扩散。

用于激光通信的红外光与无线电波不同,因为红外光将数据打包成明显更紧密的波,这意味着地面站可以一次接收更多的数据。虽然激光通信不一定更快,但在一次下行链路中可以传输更多数据。

无线电和激光通信之间数据速率差异的图示。
影像来源:NASA

太空中的激光通信终端比无线电频率系统使用更窄的波束宽度,从而提供更小的“覆盖区”,可以通过大大减少人们可以拦截通信链路的地理区域来减少干扰或提高安全性。然而,当从数千或数百万英里之外进行广播时,指向地面站的激光通信望远镜必须是精确的。哪怕只是一点点的偏差,都可能导致激光完全错过目标。就像四分卫把足球扔给接球者一样,四分卫需要知道把足球扔到哪里,也就是信号,这样接球手才能从容地接住球。NASA的激光通信工程师已经设计了复杂的激光任务来确保这种连接能够实现。

激光通信中继演示

LCRD位于地球同步轨道上,距离地球约22000英里,将能够支持近地区域的任务。LCRD将在头两年通过大量实验测试激光通信能力,进一步完善激光技术,增加我们对未来潜在应用的知识。

LCRD的初始实验阶段将利用该任务在加利福尼亚和夏威夷的地面站,即光学地面站1和2,作为模拟用户。这将使NASA能够评估大气对激光的干扰,并练习从一个用户切换到另一个用户的支持。实验阶段结束后,LCRD将过渡到支持空间任务,通过红外激光向卫星发送和接收数据,以展示激光通信中继系统的优势。

LCRD的第一个太空用户将是NASA的集成LCRD近地轨道用户调制解调器和放大器终端(ILLUMA-T),它将于2022年发射到国际空间站。该终端将接收来自空间站上的实验和仪器的高质量科学数据,然后以每秒1.2千兆比特的速度将这些数据传输到LCRD。LCRD会以相同的速率将其传送到地面站。

LCRD和ILLUMA-T是继2013年开创性的月球激光通信演示之后进行的一项全新技术演示,月球激光通信演示通过每秒622兆比特的激光信号下行数据,证明了激光系统在月球上的能力。NASA目前还有许多其他的激光通信任务处于不同的发展阶段。这些任务中的每一个都将增加我们对激光通信的好处和挑战的认识,并进一步使技术标准化。

LCRD将作为有效载荷于2021年6月23日在美国国防部的航天器上发射。

美国国防部太间测试计划卫星-6(STPSat-6)与激光通信中继演示(LCRD)有效载荷通过红外链接进行数据通信的插图。
影像来源:NASA

LCRD是美国宇航局搭载在国防部太空测试计划卫星6号(STPSat-6)上的有效载荷。STPSat-6是第三次太空测试计划(sts -3)的一部分,将在佛罗里达州卡纳维拉尔角太空部队基地搭载联合发射联盟的阿特拉斯V 551火箭发射。STP由美国太空部队的太空和导弹系统中心运营。

LCRD由戈达德领导,并与位于南加州的NASA喷气推进实验室和麻省理工学院的林肯实验室合作。LCRD是通过NASA的技术示范任务计划(空间技术任务局的一部分)和人类探索和操作任务局的空间通信和导航(SCaN)计划资助的。

参考来源:

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2021/laser-communications-empowering-more-data-than-ever-before

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