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太空通信历程回顾激光通信成太空宽带

2019-08-15 18:31:16来源:励志吧0次阅读

  人类对于未知事物总是充满好奇,而在众多的未知事物之中,宇宙(或者说是外太空)无疑是最为神秘的,因此人类对于宇宙的探索从未停歇,并将其视为科学研究的终极目标之一。

  随着科学技术的进步,今天我们已经可以借助多种方式探索宇宙的奥秘,包括望远镜、宇宙飞船(航天器)、卫星、空间站等等。特别是随着航天器的出现,更成为了我们探索宇宙的利器 人类遨游宇宙已经不再是梦想。那么现在问题来了,这些航天器(包括卫星、空间站等)是如何与地球保持通信的呢?语音、数据、甚至是视频图像又是如何进行传输的呢?

  首先让我们来回顾一个激动人心的历史瞬间 1957年由苏联制造的第一颗人造卫星发射成功,该卫星就内置了一台无线电发报机,其从太空不断地向地面接收站发送 滴滴 的信号。因此无线电通信就成了最早的太空通信方式,并且已经沿用至今,例如我们的通信卫星。

  而随着人类探索宇宙步伐的加快,卫星已经不只停留在近地轨道,而是已经开始不断向外拓展(例如绕月轨道);与此同时,航天器已经完成月球、火星等探索,并在向更远的深空不断前行。此时,太空通信已不仅仅是简单的卫星与地面的通信(称为星地通信),还包括卫星(航天器)之间的通信,以及借助中继卫星实现的星地通信等。

  其实早期的深空探测器并不是借助中继卫星与地面通信的,而是采用最为直接的星地通信方式,例如美航天局1977年所发射探测器 旅行者一号。

  如上图所示,旅行者一号配备了一个巨大的 锅 式天线,其直径达 .7米,然后与地球上直径高达 7米的接收天线(也是 锅 )进行通信,然而这种通信方式只能待两个天线对准时才能通信,通信效率可想而知,因此为了提升通信效率,中继卫星应运而生。

  最早投入应用的中继卫星就是美国部署在木星轨道上的奥德赛卫星,其作用是将火星探测车的数据传回地球。而如今,在地球轨道之上,也有着众多的中继卫星,比如美国的TDRS,中国的天链,日本的DRTS等等,它们已经成为了星地通信之间的高效沟通 桥梁 。

  而无论是星地通信(包括中继),还是卫星(航天器)间通信,均是借助无线电通信技术来实现的,但无线电通信技术有着自身的缺陷,首先是根据轨道(距离)的不同,存在多种通信波段(包括L、S、C、K、Ku、Ka等),而相同波段间的干扰,就会影响通信质量;其次,目前深空探测主要手段就是提升天线增益、提高通信频率、降低噪声,而想要提升天线增益,要么加大天线面积,要么增加天线数量,但都会加大航天器本身的负担;当然,最为重要的是,视频沟通必将成为太空通信的新趋势,而无线电通信的带宽(数据传输速度)难以满足这一要求,因此通信成为了新的焦点。

  激光通信:被视为 太空宽带

  什么是激光通信?其实激光本质上也是一种电磁波,其基本通信原理与无线电通信原理相似,即利用作为载体,将数据信号调制到光载波上进行传输,因此也可以称之为空间光通信。

  刚刚我们已经谈到了无线电通信在太空通信应用中的不足之处,而激光通信则可以很好地解决这些问题。首先,其开辟了全新的通信频道使调制带宽可以显著增加,即提升通信带宽和数据传输速度,因此其被视为 太空宽带 ;其次,其能将光功率集中在非常窄的光束之中,这使得相关器件的尺寸、重量和功耗都将明显降低,而低功耗也更适用与中继卫星(传统中继卫星难以满足远距离、高功率无线电通信传输需求);第三,各通信链路间的电磁干扰小,通信质量更高;第四,激光本身具备出色的保密性,可有效防止窃听。

  其实激光通信已在我们的生活中得到广泛的应用,比如家中的光纤宽带络等,但要说到将激光通信真正应用于太空通信之中,还是最近几年的事情。例如,2008年 月间,美国NFIRE卫星与德国TerraSAR-X卫星使用激光终端成功进行了太空宽带数据传输,两颗卫星在距离5000公里宇宙空间建立了光学链接,并以5.5Gbps的数据传输速度完美地实现了双向操作,这一数据传输速度相当于每小时传输20万张A4文件或400张DVD。

  随后,美国国家局(NASA)又利用激光通信将 蒙娜丽莎 送上月球,而为了将名画《蒙娜丽莎的微笑》传输到绕月飞行的 月球勘测轨道飞行器 上,NASA先将这幅名画进行数字编码,并分解为152 200个像素,然后将每个像素都变为,从地面基站传输给 8万公里外的 月球勘测轨道飞行器 上,这次传输的速度约为 00比特每秒。

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