改變太空探索方式？NASA首次用激光從深空發(fā)送超高清視頻

最近，有一項(xiàng)激動(dòng)人心的技術(shù)進(jìn)展：在2023年12月11日的技術(shù)演示中，NASA首次利用激光從距地球約3100萬(wàn)公里（約為地月距離的80倍）的深空發(fā)送傳回了一段超高清流媒體視頻。這段視頻顯示了一只名為塔特斯（Taters）的橘色虎斑貓（orange tabby cat）追逐一個(gè)移動(dòng)的激光光點(diǎn)的畫面，非常靈活生動(dòng)。這也標(biāo)志著一個(gè)歷史性的里程碑——盡管此前研究人員曾利用激光在近地軌道和月球之間傳輸信號(hào)，但這一技術(shù)還是第一次在深空展示。

那么，這次深空激光通信演示有何特別之處？激光通信的基本原理又是什么？而中國(guó)在這一領(lǐng)域的布局又如何呢？大家好，我是中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心的周炳紅。首先，我們先來(lái)看看激光通信的基本原理。

激光通信的原理

它不同于波長(zhǎng)更長(zhǎng)、頻率更低的傳統(tǒng)射頻微波通信。在激光通信中，信息（如文字、圖片、聲音或視頻數(shù)據(jù)）首先被編碼成可以通過激光信號(hào)傳輸?shù)母袷健Ｗ詈?jiǎn)單的比喻就是，用手電筒對(duì)著遠(yuǎn)處的朋友發(fā)送摩爾斯電碼，其中手電開代表1，關(guān)代表0。激光通信亦是如此，只是我們使用的是精準(zhǔn)的激光束。對(duì)深空探測(cè)任務(wù)而言，地面接收端通常是直徑幾米的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，它負(fù)責(zé)收集深空傳來(lái)的激光，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，以解碼傳遞過來(lái)的信息。

超高清視頻的傳輸成果

這次NASA用激光從深空傳回的超高清視頻，顯示了這項(xiàng)技術(shù)的顯著進(jìn)步。想象一下，這是從3100萬(wàn)公里外傳回的高清視頻！以前，通過無(wú)線電波傳輸數(shù)據(jù)，如果從火星傳回地球，其波束發(fā)散將達(dá)到地球直徑的100倍那么大。而激光通信的波束擴(kuò)散僅有地球直徑的0.1倍。與無(wú)線電波通信相比，激光通信的主要優(yōu)勢(shì)在于它更快且更輕。這意味著數(shù)據(jù)可以在更短的時(shí)間內(nèi)傳輸完成，減少了航天器的電源使用，同時(shí)還減少了支持任務(wù)所需的中繼終端和地面站點(diǎn)數(shù)量。此外，光通信終端體積小、重量輕、能耗低，從而使主任務(wù)能夠搭載更多科學(xué)儀器或降低成本。

它為未來(lái)從深空傳回復(fù)雜科學(xué)信息、高清圖像和視頻的高數(shù)據(jù)速率通信鋪平了道路，甚至可以支持人類的下一個(gè)巨大飛躍，將人類送上火星。

那么，中國(guó)在激光通信的布局又如何呢？

中國(guó)在激光通信領(lǐng)域的發(fā)展同樣令人矚目。我們?cè)?016年的墨子號(hào)量子通信衛(wèi)星和實(shí)踐13號(hào)等衛(wèi)星項(xiàng)目中，已經(jīng)進(jìn)行了衛(wèi)星到地面的高速激光通信技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了超過5Gbps的通信速率，這是普通家庭100M寬帶速度的50倍。此外，我國(guó)探月工程四期已經(jīng)計(jì)劃開展地月激光通信技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)，利用經(jīng)過適應(yīng)性改造的中國(guó)科學(xué)院的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

結(jié)尾

激光通信不僅將改變我們的太空探索方式，還可能為我們的日常生活帶來(lái)革命性的變化。我國(guó)已經(jīng)宣布2030年左右，將航天員送上月球表面，相信那個(gè)時(shí)候，我們一定可以看到中國(guó)人在月球上的高清視頻直播，而且是用激光通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)的！讓我們共同期待這個(gè)深空激光通信的未來(lái)！

本文為科普中國(guó)·星空計(jì)劃扶持作品

作者：周炳紅 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心研究員

審核：孫志斌 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心研究員

出品：中國(guó)科協(xié)科普部

監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司