近日，美國(guó)靈神星探測(cè)器在1600萬(wàn)公里外配合地面設(shè)施完成深空激光通信試驗(yàn)，刷新了空間光學(xué)通信距離紀(jì)錄。那么激光通信有哪些優(yōu)勢(shì)？根據(jù)技術(shù)原理和任務(wù)需求，它需要克服哪些困難？未來(lái)，它在深空探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景如何？

在航天科研人員探索宇宙的歷程中，深空探測(cè)是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。探測(cè)器需要穿越遙遠(yuǎn)的星際空間，

克服

極端環(huán)境和惡劣條件，

獲取和傳輸寶貴

數(shù)據(jù)

，

而通信

技術(shù)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

靈神星探測(cè)器與地面天文臺(tái)進(jìn)行深空激光通信試驗(yàn)示意圖

10月13日，靈神星探測(cè)器升空，開(kāi)啟至少為期8年的探索之旅。在任務(wù)初期，它配合美國(guó)帕洛馬天文臺(tái)的海爾望遠(yuǎn)鏡，測(cè)試深空激光通信技術(shù)，使用近紅外激光編碼，與地球團(tuán)隊(duì)進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)交流。為此，探測(cè)器及其激光通信設(shè)備至少需要克服4類(lèi)困難。

其一是遙遠(yuǎn)的距離。在深空探測(cè)任務(wù)中，目標(biāo)天體與地球的距離往往以“億公里”為計(jì)量單位，這要求通信具備極高的信號(hào)強(qiáng)度和穩(wěn)定性，以確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確傳輸。

其二是信號(hào)衰減與干擾。隨著傳輸距離增大，無(wú)線(xiàn)電信號(hào)會(huì)出現(xiàn)顯著衰減，必然給通信帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。尤其在深空環(huán)境中，宇宙射線(xiàn)、塵埃等物質(zhì)會(huì)對(duì)通信信號(hào)產(chǎn)生干擾，目標(biāo)天體的磁場(chǎng)、電離層等也會(huì)破壞信號(hào)的傳輸穩(wěn)定性。

其三是帶寬限制與延遲。相比深空探測(cè)任務(wù)需求，通信帶寬是有限的。探測(cè)器想要在有限的帶寬內(nèi)高效地傳輸數(shù)據(jù)，有必要采用先進(jìn)的編碼技術(shù)和壓縮算法，提高數(shù)據(jù)傳輸速率。此外，由于距離限制，深空探測(cè)任務(wù)需要克服不容忽視的時(shí)間延遲，單次通信延遲數(shù)分鐘或數(shù)小時(shí)是司空見(jiàn)慣的，近似實(shí)時(shí)通信則非常困難。

其四，能源限制與散熱問(wèn)題值得關(guān)注。探測(cè)器在有限的能源供給條件下長(zhǎng)期執(zhí)行深空探測(cè)任務(wù)，為了確保通信高效、穩(wěn)定，需要采用低功耗的設(shè)備和技術(shù)。同時(shí)，通信設(shè)備運(yùn)行會(huì)持續(xù)產(chǎn)生大量熱量，如何有效散熱也成為挑戰(zhàn)。

科研人員對(duì)這些困難早有預(yù)期和準(zhǔn)備，“對(duì)癥下藥”，突破了一系列關(guān)鍵技術(shù)，為靈神星探測(cè)器開(kāi)展深空激光通信試驗(yàn)打好了基礎(chǔ)。

首先，靈神星探測(cè)器采用了高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，選定激光束作為傳輸媒介，配備了大功率激光發(fā)射器，利用激光傳輸速率快、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，嘗試在深空環(huán)境中建立激光通信鏈路。

其次，為了提升通信的可靠性和穩(wěn)定性，靈神星探測(cè)器采用了高效編碼技術(shù)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化編碼，可以在有限的帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。同時(shí)，通過(guò)采用前向糾錯(cuò)編碼等技術(shù)，它能夠降低誤碼率，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

再次，靈神星探測(cè)器借助智能調(diào)度與控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)通信資源的優(yōu)化利用。該技術(shù)可以根據(jù)任務(wù)需求和通信環(huán)境的變化，自動(dòng)調(diào)整通信協(xié)議和傳輸速率，從而確保在有限的能源條件下實(shí)現(xiàn)最佳的通信效果。

最后，為了增強(qiáng)信號(hào)接收能力，靈神星探測(cè)器采用了多波束接收技術(shù)。這種技術(shù)利用多個(gè)接收天線(xiàn)組成陣列，可以增強(qiáng)信號(hào)的接收靈敏度和穩(wěn)定性，進(jìn)而在復(fù)雜的深空環(huán)境中保持穩(wěn)定的通信聯(lián)系。

外界不難發(fā)現(xiàn)，激光是靈神星探測(cè)器深空通信試驗(yàn)的核心要素，那么激光究竟擁有哪些具體優(yōu)勢(shì)，能夠助力深空通信顯著進(jìn)步？其中有何奧妙玄機(jī)？

一方面，深空探測(cè)任務(wù)對(duì)于海量數(shù)據(jù)、高分辨率圖像和視頻的需求不斷增長(zhǎng)，勢(shì)必要求深空通信具備更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。面對(duì)往往以千萬(wàn)公里“起步”的通信傳輸距離，無(wú)線(xiàn)電波逐漸“力不從心”。

而激光通信將信息編碼在光子上，相比無(wú)線(xiàn)電波，近紅外光波具有更窄的波長(zhǎng)和更高的頻率，使構(gòu)建信息傳輸更加高效流暢的空間數(shù)據(jù)“高速公路”成為可能。

早期近地軌道激光通信測(cè)試示意圖

這一點(diǎn)已在早期近地軌道空間試驗(yàn)中初步驗(yàn)證。采取相關(guān)自適應(yīng)和克服大氣干擾的措施后，激光通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率一度比以往的通信手段高出近百倍。

另一方面，激光通信技術(shù)對(duì)深空環(huán)境的適應(yīng)性更強(qiáng)。在深空環(huán)境中，探測(cè)器既要應(yīng)對(duì)無(wú)處不在的宇宙射線(xiàn)，又要在穿越小行星帶、大行星星環(huán)等艱辛的旅程中戰(zhàn)勝天體碎片、塵埃等阻礙，無(wú)線(xiàn)電信號(hào)更易受到干擾。

激光的本質(zhì)是原子受激發(fā)輻射出來(lái)的光子束，其中的光子具備高度一致的光學(xué)特性，方向性好，能量?jī)?yōu)勢(shì)明顯。憑借先天優(yōu)勢(shì)，激光可以更好地適應(yīng)復(fù)雜的深空環(huán)境，構(gòu)建起更穩(wěn)定可靠的通信鏈路。

不過(guò)，激光通信要想收獲理想的效果，必須做好精確對(duì)準(zhǔn)工作。以靈神星探測(cè)器為例，其飛行計(jì)算機(jī)主控的制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制系統(tǒng)發(fā)揮了關(guān)鍵作用，所謂“指向、采集和跟蹤系統(tǒng)”確保激光通信終端與地球團(tuán)隊(duì)的接裝置始終保持精確對(duì)準(zhǔn)，確保通信穩(wěn)定，還能有效地降低通信錯(cuò)誤率，提高數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性。

此外，這種精確對(duì)準(zhǔn)又能幫助太陽(yáng)翼盡可能多吸收陽(yáng)光，為激光通信設(shè)備提供充沛的能量。

當(dāng)然，再充沛的能量也要高效利用。激光通信的優(yōu)勢(shì)之一是能量利用效率較高，相比傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)電通信，能夠節(jié)省更多能源，減輕深空探測(cè)器在有限供能條件下的負(fù)擔(dān)，進(jìn)而延長(zhǎng)探測(cè)器的飛行航程和工作時(shí)間，收獲更多科學(xué)成果。

另外，相比傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)電通信，激光通信在理論上具備更出色的實(shí)時(shí)性。這對(duì)于深空探索是非常重要的，幫助科學(xué)家及時(shí)獲取數(shù)據(jù)并開(kāi)展分析研究。不過(guò)，隨著通信距離增大，延時(shí)現(xiàn)象會(huì)逐漸明顯，激光通信的實(shí)時(shí)性?xún)?yōu)勢(shì)有待檢驗(yàn)。

當(dāng)前，

深空探測(cè)通信

工作

面臨諸多挑戰(zhàn)，但隨著科技不斷發(fā)展，

未來(lái)

有望

綜合運(yùn)用多種措施

解決問(wèn)題

。

比如，為了克服遙遠(yuǎn)通信距離引發(fā)的困難，未來(lái)深空探測(cè)器有可能綜合應(yīng)用高頻通信和激光通信技術(shù)。高頻通信設(shè)備可以提供更高的信號(hào)強(qiáng)度，提升通信穩(wěn)定性，而激光通信具有更高的傳輸速率和更低的誤差率，強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，貢獻(xiàn)更遠(yuǎn)距離、更高效的通信成果，應(yīng)該是可以預(yù)期的。

靈神探測(cè)器上的深空激光通信裝置特寫(xiě)

具體到激光通信技術(shù)細(xì)節(jié)，為了提高帶寬利用率和降低延遲，深空探測(cè)器有望采用更先進(jìn)的智能編碼和壓縮技術(shù)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，根據(jù)通信環(huán)境的變化，未來(lái)深空探測(cè)器的激光通信設(shè)備會(huì)自動(dòng)調(diào)整編碼方式和壓縮算法，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)最佳的數(shù)據(jù)傳輸效果，提高傳輸速率并緩解延遲程度。

為了克服深空探測(cè)任務(wù)中的能源限制，解決散熱需求，探測(cè)器將來(lái)必然會(huì)應(yīng)用低功耗技術(shù)和綠色通信技術(shù)，既降低通信系統(tǒng)的能耗，又能夠?qū)崿F(xiàn)高效的熱量管理和散熱。毫無(wú)疑問(wèn)，隨著這些技術(shù)實(shí)用化、普及化，深空探測(cè)器的激光通信系統(tǒng)有望更加穩(wěn)定地運(yùn)行，續(xù)航力也會(huì)顯著提升。

隨著人工智能和自動(dòng)化技術(shù)不斷進(jìn)步，未來(lái)深空探測(cè)器有望更加自主高效地完成任務(wù)。例如，通過(guò)預(yù)設(shè)規(guī)則和算法，探測(cè)器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理和智能化傳輸控制，避免信息“堵塞”，提高通信效率。同時(shí)，人工智能和自動(dòng)化技術(shù)還會(huì)幫助科研人員減少操作失誤，提高探測(cè)任務(wù)的準(zhǔn)確性和可靠性，激光通信系統(tǒng)也將從中受益。

激光通信畢竟不是萬(wàn)能的，未來(lái)深空探測(cè)任務(wù)有可能逐步實(shí)現(xiàn)多元化通信手段的融合。通過(guò)綜合運(yùn)用各種通信技術(shù)，如無(wú)線(xiàn)電通信、激光通信、紅外通信等，探測(cè)器可以在多路徑、多頻段發(fā)揮最優(yōu)的通信效果，提高通信的可靠性和穩(wěn)定性。

同時(shí)，多元化通信手段融合有助于實(shí)現(xiàn)多任務(wù)協(xié)同工作，提高探測(cè)器的綜合性能，進(jìn)而促使更多類(lèi)型、數(shù)量的探測(cè)器在深空?qǐng)?zhí)行更復(fù)雜的任務(wù)。