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《大众科学》2014新科技展望:太空间激光通信

2013-12-24 09:02
来源: 激光网

  近日,美国《大众科学》网站在报道中展望了那些将塑造2014年世界面貌的新想法、趋势以及突破。随着中国“嫦娥三号”成功登月以及美国“好奇号”的火星之旅展开,太空间的通讯成为关注的焦点,激光通信无疑是一个很好的选择,NASA在激光通信方面已取得了相当大的进展。而“激光器发射大量太空数据”也成功入选2014年 新科技。

  激光器发射大量太空数据

  1月份,美国国家航空航天局(NASA)于2009年6月成功发射的迄今为止最年轻的月球探测器——月球勘测轨道飞行器(LRO)接收了一个有历史意义的信号传输:NASA利用激光器,将达·芬奇的名画《蒙娜丽莎》传输到了其上,这是人类首次利用激光在星际间进行图像数据传输,这一奇迹有望让星际间的信息流动呈指数级增加。NASA专家戴维·史密斯说:“不久的将来,这种简单的激光通讯技术,可能会成为卫星无线电通讯的补充;而未来有望实现比现有无线电通讯线路更高的数据传输速率。”

  过去50年,飞离地球的太空飞行器都是利用无线电通讯,但无线电有自己的局限。首先是频道拥挤,随着数据容量需求的持续增加,频率将要达到极限;其次,信号会随着距离的增加而衰减,因此传输需要非常耗能的发电机和巨大的天线。而激光的波长非常短,因此每秒钟可以发射出更多的波,这也意味着其能携带更多信息。另外,激光信号的强度并不会随着距离而减弱,因而发射器需要的能量更少。而且,太空飞行器携带的设备越小,其发射成本也越低。

  9月6日,NASA向月球发射了月球大气与粉尘环境探测器(LADEE),它搭载了一个激光通信终端(LLCD),将进行距离最遥远的深空激光通信试验。10月份,该探测器成功地进行了另外一个测试:在三个不同的地球接收器之间发射包含有高清视频的激光脉冲。如果一切进展顺利,未来有一天宇航员将从另一颗星球上发回高清视频,宇航员之间将能进行高带宽通信。

  在月球激光通信演示之后,NASA的下一步是构建激光通信中继演示(LCRD)系统,其将于2017年发射;于今年7月25日成功发射的欧洲空间局的Alphasat卫星(有史以来技术最先进的民用通信卫星之一)也将使用激光中继从其他观测地球的卫星那儿获得的数据。

  如果空间激光通讯取得成功(我们也没有理由认为其会失败),它将改变人类探索太阳系的方式。“好奇”号火星车有望搭载更多工具并发回更多数据。高清视频流也使科学家们能追踪土星上的风暴。当然,更贴心的是,宇航员们能同家里人进行视频聊天。

  最快的激光通信 最快的星际互联网

  由美国宇航局埃姆斯研究中心负责主管的“月球大气与尘埃环境探测器”(LADEE)上搭载了一台空间激光通信实验载荷,名为“月球激光通讯演示”(LLCD)。这台设备日前开始运行,向我们展示了在地球之外进行激光双向通讯是可行的,也让未来进行大量数据的星际激光传输成为可能。这项技术未来将可以让深空探测器得以直接向地球发送立体高清视频影像。

  LLCD设备主管唐·康沃尔(Don Cornwell)表示:“LLCD设备的目标是验证并建立我们对这项技术的信心,这样在未来的项目中才会考虑将其投入应用。”他说:“这项由麻省理工学院林肯实验室开发的独特技术拥有令人难以置信的应用前景,我们非常高兴能将其装载到卫星上。”

  从美国宇航局最初开展航天活动以来,不管是载人登月,航天飞机项目还是所有的自动探测飞船,所有这些项目的通讯手段都是无线电,即所谓“RF”。但这项手段的局限性正逐渐显现,因为在任务期间需要传输的数据量正不断攀升。而空间激光通信技术的发展将赋予美国宇航局新的能力,从而能够让飞船发回分辨率更高的图像,甚至从深空直接传回立体的高清视频录像。

  LLCD是美国宇航局首次开展的利用激光替代无线电波进行双向空间通讯的试验系统。康沃尔表示:“相比目前最先进的无线电通讯设备,LLCD将可以使用比前者小25%的功率,传输比前者多出6倍的数据量。并且相比无线电波,激光通讯受到的干扰更小,也不容易发生拥堵现象。”

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