你相信光嗎？能打電話的那種_風聞

原創：中科院物理所

美國宇航局(NASA)最近發射了一顆深空探測衞星**“Psyche”，這讓我們能夠一窺一顆具有與地球相似的核心結構的星球。也許人類永遠無法踏上這顆星球，但這顆衞星的發射，以及衞星攜帶的隨行儀器讓太空通信領域的科學家興奮不已。自太空時代開始以來，太空通信領域的科學家們一直依靠無線電波進行通訊。但是無線電波只是電磁波譜中的一小部分。科學家們希望可進行通訊的波譜能擴展到光譜的另一部分。因此，他們的目標是使激光成為下一代太空通訊通信工具**。

Psyche探測器的主要任務是探索一顆長144英里、形狀像土豆的小行星，這顆小行星的公轉軌道長度大約是地日距離的三倍。天文學界的主流觀點認為，這顆小行星（確切地説是這顆名為Psyche 16的小行星）可能是一顆巖質行星的金屬核心，其岩石表面在火星和木星之間的“小行星帶”中被撞擊剝離。

如果真是如此，那麼通過探測這顆小行星中鐵、鎳和岩石的成分，我們得以對比研究地球的地核的構成與結構。

這顆探測器將會花費六年的時間抵達目的地，並證實這是小行星的表面是否由金屬構成。如果假設成立，那麼我們可能遇到的是一顆比上世紀40~50年代科幻作家筆下所描述的還要奇怪的星球。來自星球的金屬噴流在與其他小行星的相互碰撞中形成了非常怪異的形狀。

2022年底，在佛羅里達的肯尼迪航天中心，裝配人員正在檢查NASA的Psyche 深空探測衞星。這顆航天器將會於2023年10月13日擇機發射。Psyche 將會搭載一顆激光通訊組件包（如圖所示的金色底面銀色圓柱形設備）來測試在地月範圍之外光學通訊傳輸信號的能力。

但在另一方面，測試激光通訊技術的太空通訊專家將會更快地得出另一個同步進行的實驗的結果。深空光學通信（DSOC）實驗將會是第一例在地月外深空探測中採用激光通訊，或光通訊的實驗。這項技術或對NASA的重返月球計劃，以及下一步登陸火星起到重要作用。這項技術同樣意味着NASA在探索新的太空通訊技術領域中邁出了重要一步。

如果這項實驗能夠預期完成，那麼激光通訊技術將會補上NASA在主流的地外通訊系統-深空網絡(DSN)中所面臨的帶寬限制的短板。 DSN的三個無線電天線站點（每個站點各有一座70米直徑的碟形天線，分別位於西班牙、澳大利亞和美國加利福尼亞州沙漠，彼此相隔120度）面臨着與休斯頓高峯時段信號堵塞相似的情況。目前，從詹姆斯·韋伯太空望遠鏡到小型商業衞星等數十項空間的任務都在爭奪DSN的通訊時間。

“各種任務的通訊信號之間可能存在相互干擾，”美國宇航局空間通信與導航辦公室（SCaN）深空網絡項目經理邁克·萊弗斯（Mike Levesque）表示，“目前有20%的通訊申請無法得到滿足。隨着時間的推移，問題只會變得更糟。到2030年，這一比例將達到40%。”

未來NASA還將有40個航天發射任務，每個任務都需要佔用DSN一定的時間。更重要的是，其中一些發射任務為載人航天任務，這些任務將會搭載高清視頻設備以及監控航天員生命體徵的實時檢測設備。NASA不想因為一顆商業性的小型衞星CubeSat而遲滯這些為NASA重返月球而做的準備工作。像是CubeSat這類的小型衞星能夠傳輸各種類型的科學數據，並提供互聯網連接，但是人類已經將很多這類衞星發射到了近地軌道上了。

“對於科學任務來説，項目的遲滯也許可以被接受，但對於NASA的載人任務，我們需要全力以赴，”SCaN項目主管傑森·米切爾（Jason Mitchell）表示，“隨着重返月球和登陸火星計劃的不斷推進，計劃中NASA宇航員所需要的東西也會隨之增加。我們每天可能會發送數TB的數據。”

在激光通訊設備近期的實機測試中，研究人員試圖利用激光攜帶比無線電波更多的信息。在電磁波譜中，近紅外部分的光學波長非常小，接近納米量級，頻率也非常高，因此可以在同等空間尺度下承載更多信息，並將數據傳輸速率提高10到100倍，這是無線電波無法實現的。

“這就是為什麼光通訊技術適合發展成為未來深空探測的重要通訊技術”米切爾説，“光通訊技術所能達到的通訊帶寬非常大”。

NASA將首次在深空中測試激光通信技術。可見光的頻率比無線電頻率更高，因此每秒可以攜帶10到100倍於無線電信號的信息。(底部圖表的左側比較了無線電波攜帶的數據量（白色方框），右側比較了近紅外激光攜帶的數據量。)激光信號（紅色）的通訊範圍比無線電信號（淺藍色）窄得多，這可以增強空間通信的安全性，但信號的傳輸對微小的對齊誤差非常敏感。圖片源自: NASA / GODDARD SPACE FLIGHT CENTER

相比於能夠實現同樣帶寬的無線電系統，激光系統體積更為小巧，同時需要的功率更少。通訊系統的能耗是深空探測中需要考慮的另一個重要因素，因為航天器從地球出發，在沒有補給的情況下，需要維持能夠飛行數億英里所需的通訊時間。

在過去的十年裏，從近地軌道到月球，NASA在不斷測試驗證這項新技術。Psyche上搭載的激光通訊設備將能夠在深空首次測試這項技術，這是一個重要的里程碑，因為光通信確實存在缺點。由於激光的單向性很強，光束很窄，因此必須非常準確地指向地球上的接收器。隨着激光設備與地球之間距離的增加，保持激光的指向位置不變成為研究的難點。

建造該儀器的美國宇航局噴氣推進實驗室的DSOC項目技術專家阿比吉特·比斯瓦斯（Abhijit Biswas）將這一難度比作從一英里外擊中一個移動的硬幣，即使是一點晃動也會干擾信號的接收。為了使收發器在Psyche上保持穩定，噴氣推進實驗室安裝了特殊的支撐和驅動裝置，以減少光通訊設備受到的來自81英尺長的航天器振動的影響。

其他潛在的問題包括：大氣上的雲層會阻擋光束；隨着距離的增加和光束的擴散，信號會顯著減弱。這些問題限制了光通訊設備在距離火星以外的地區使用，至少在當前技術條件下是這樣。這就是為什麼搭載在Psyche上的設備所進行的測試只會在任務的前兩年進行，也就是在航天器飛往小行星本身之前完成測試。

Psyche航天器的藝術渲染圖。Psyche深空探測衞星於2023年10月踏上了前往同名小行星的長途旅程，並將於2029年到達。該衞星裝備有能夠分析小行星構成和測量其磁場的儀器。與大多數太空岩石不同，Psyche小行星被認為由鎳和鐵組成，類似於地球的地核。圖片來源: NASA / JPL-CALTECH / ASU; IMAGE CREATED BY PETER RUBIN

基於這些原因，以及目前尚未實現光學接收器之間的互聯組網，因此沒有人預測激光通信全面取代無線電波的時間點，但這項技術可以為深空通訊增加新的渠道。“未來的探測項目將能夠實現多樣化。”比斯瓦斯説。

在這項的測試中，南加利福尼亞的Table Mountain 上的一個五千瓦的發射機將向航天器上的8.6英寸望遠鏡上的激光收發器發送一個低碼率通信包——沒有什麼特別的，主要是隨機模式，比斯瓦斯説。該儀器將使用單光子計數相機，鎖定光束並下載信息，然後以高碼率將其傳回位於聖地亞哥附近的帕洛馬山上的200英寸的Hale 望遠鏡，以便將其與原始數據進行比較，以確保準確性。

即便在地球-火星之間的距離尺度上，光通訊的信號也相對微弱。從Psyche探測器到達Hale望遠鏡的通信包只包含幾個光子，因此NASA依賴於一個高靈敏度的、低温冷卻的光子計數探測器（由超導納米線製成）附着在望遠鏡上解碼信號。

對於擁有激光光譜學學位背景的比斯瓦斯來説，測試光學通信是十年努力的成果。“這令人非常興奮，”他説。“有太多前沿問題等待我們去探索。”

雖然激光通信（可以類比與高速公路）可能無法避免DSN未來將面對的信號擁堵的情況，但它可以在太空中輔助DSN傳遞一些重要的實時信息。

作者：John Johnson

翻譯：*0

審校：Sher

原文鏈接：Speedy downloads: Why NASA is turning to lasers for next-gen space comms