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激光可以给空间研究提供“宽带”的时刻

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几个即将到来的美国航空航天局特派团将使用激光来增加从空间的数据传输。
学分:美国宇航局的戈达德太空飞行中心/琥珀雅各布森,制片人

认为你的网速很慢?尝试一天的空间科学家。

涉及的广阔的距离将扼杀数据速率。如果一艘宇宙飞船每秒可以发送几兆比特(Mbps),那么幸运的是,即使按照拨号标准,也是微不足道的。

但是我们可能正处在一个变化的风口浪尖上。就像从拨号到宽带,使互联网发生革命性的变化,使高分辨率的照片和流媒体视频成为现实,未来几年美国宇航局可能已经准备好了类似的“宽带”时刻。

数据革命的关键将是激光。近60年来,与航天器“交谈”的标准方式是使用无线电波,这是远距离理想的。但是,通过激光照射数据的光通信可以将这个速率提高10到100倍。

高数据速率将使研究人员能够更快地收集科学,研究沙尘暴或航天器降落等突发事件,甚至从其他行星表面发送视频。激光通信的精确度也非常适合NASA任务计划人员的目标,他们希望将太空船发射到太阳系以外。 NASA加州帕萨迪纳喷气推进实验室光通信系统部门的负责人Abi Biswas说:“激光技术是促进深空下行通信的理想选择。 “它最终将允许为每个宇航员提供他或她自己的视频源,或者更快地发回更高分辨率的,数据丰富的图像。”

光速科学

无线电和激光器都在光的速度,但是激光器在更高的频率带宽内传播。这使得他们能够携带比无线电波更多的信息,这在收集海量数据时非常重要,而且只有很短的时间才能将其发送回地球。

NASA的火星侦察轨道器就是一个很好的例子,它以最高6 Mbps的速度发送科学数据。比斯瓦斯估计,如果轨道器使用的激光通信技术的质量和功耗与目前的无线电系统相当,那么它可能会将最大数据速率提高到250Mbps。

对于互联网用户来说,这听起来可能令人震惊。但在地球上,数据传输的距离要短得多,而且通过太空中尚未存在的基础设施,因此传输速度更快。

增加数据速率将使科学家能够花费更多的时间在分析上,而不是在航天器上运行。 JPL研究科学家兼火山学家Dave Pieri说:“事情发生的很快,而且你想要一个密集的数据集,这是完美的。皮耶里带领过去的研究如何激光通信可以用来近乎实时地研究火山爆发和野火。 “如果你面前有一座火山爆炸,你想评估它的活动水平和倾向,继续喷发。越快获得并处理这些数据越好。“

同样的技术也可以应用于在其他行星周围的冰冷卫星上发射cryovolcanoes。 Pieri指出,与这类事件的无线电传输相比,“激光通信会提前一个数量级”。

混淆激光器的未来

这并不是说技术对每种情况都是完美的。与无线电波相比,激光器受到来自云层和其他大气条件的更多干扰;指点和时机也是挑战。

激光器还需要不存在的地面基础设施。美国宇航局的深空网络是位于全球各地的天线阵列系统,完全基于无线电技术。必须开发地面站,可以在天空可靠清晰的地方接收激光。

无线电技术将不会消失。它可以在雨中或者在阳光下工作,并且对于像太空船提供命令这样的低数据使用将继续有效。

下一步

两个即将到来的NASA任务将 帮助工程师了解在空间进行激光通信所涉及的技术挑战。他们学到的东西将会使激光器成为未来空间通信的一种常用形式。

由美国宇航局位于马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心领导的激光通信继电器演示(LCRD)计划于2019年发射.LCRD将展示使用激光和射频技术的数据中继。它将激光信号从加利福尼亚的一个地面站发射到近25,000英里(4万公里)的地球静止轨道卫星上,然后将信号传递给另一个地面站。 JPL正在开发南加州桌山的一个地面站。 LCRD将在地球静止轨道上测试激光通信,它具有在地球上进行数据传输的实际应用。作为即将到来的NASA发现任务的一部分,由JPL领导的深空光通信(DSOC)计划于2023年发射。这个任务Psyche将会飞到一个金属小行星上,从比LCRD更远的距离测试激光通信。

灵魂飞行任务已经计划在航天器上携带DSOC激光装置。有效的是,DSOC任务将使用深空激光击中靶心,并且由于地球的旋转,它也将撞击一个移动的目标。

来源:美国国家航空航天局

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