人类首次星际空间激光通信

美国航空航天局(NASA)进行了人类首次星际空间激光通信实验。2012年3月,NASA 的科学家利用激光脉冲将编码后的名画“蒙娜丽莎的微笑”发送到了绕月飞行的“月球勘测轨道飞行器”(LRO,Lunar Reconnaissance Orbiter)上

这是 NASA 利用 LRO 进行激光通信实验的一部分。通常飞离地球的航天器都是利用无线电通信和跟踪,LRO 是目前唯一绕其它星球飞行且同时使用激光跟踪定位的航天器。

这幅名画首先被分解为152×200个像素并进行数字编码;然后每个像素都变为激光脉冲,从美国航天局位于马里兰州的戈达德航天中心(Goddard Space Flight Center)的下一代卫星激光测距(NGSLR,Next Generation Satellite Laser Ranging)站发出,传输到约 38 万千米外的“月球勘测轨道飞行器”上,由月球轨道激光测高仪(LOLA,Lunar Orbiter Laser Altimeter)负责接收,数据传输速率约为 300bit/s。LRO 上的仪器在接收到激光脉冲后重建图像,并通过传统的无线电通信系统将图像传回地球,从而验证激光传输成功。所以这次激光通信只是单向的。

这个单向通信系统的传输速度很慢,大约 38 字节每秒,也就是每秒钟传输大约 38 个汉字的速度。当然,这束激光的主要功能并不是通信,而是跟踪 LOLA 的位置,只是科学家设法让它可以在跟踪位置的同时完成简单的通信实验。

“在不久的将来,这种简单的激光通信技术可能成为卫星无线电通信的替补”,美国航天局专家戴维·史密斯说,“将来某一天,这种传输方式有可能实现比现有无线电通信线路更高的数据传输速率”。

在这个激光通信系统中,精确的时序控制是非常关键的。图画首先被分解为152×200个像素(每个像素是一个大小合适的点,所有像素正确排列构成图画),然后将每个像素转换为灰度图(灰色阴影),使用从 0 到 4095 的数字来表示。在一个很短的分配给激光跟踪的时间窗口里,按照 4096 种可能的时长发送激光脉冲,分别代表前面的 4096 个数字,以完成数据传输。数据传输速度只有大约 300 比特每秒。

LRO 上的 LOLA 设备接收到激光脉冲后,根据脉冲到达时间重建图像。LOLA 的首要任务是测绘月球表面的高程和地形,NGSLR 的首要任务则是跟踪 LRO。通信工作必须在不影响这两个首要任务的情况下完成。

即使在天空看起来非常干净的情况下,大气湍流(地球大气层中的空气的不稳定流动)也会干扰传输过程,带来错误。为了克服这些影响,科学家们使用了 Reed-Solomon 编码,这也是 CD 和 DVD 中常用的错误矫正编码格式(使用 Reed-Solomon 错误矫正编码后传输的图像与没有错误矫正的图像传输效果对比如下图所示)。该实验还提供了地球大气层中信号波动的统计特征。如果希望更详细地了解这次激光通信实验,可以看 Optical Express 上的论文:Free space laser communication experiments from Earth to the Lunar Reconnaissance Orbiter in lunar orbit。(免费全文阅读)

使用 Reed-Solomon 错误矫正编码后传输的图像与没有错误矫正的图像传输效果对比

使用 Reed-Solomon 错误矫正编码后传输的图像与没有错误矫正的图像传输效果对比(图片来源:Xiaoli Sun, NASA Goddard

这次实验的成功为 NASA 的后续空间激光通信发展奠定了基础。NASA 的下一步计划是进行月球激光通信演示(LLCD,Lunar Laser Communications Demonstration),一种高数据传输速率的月球激光通信,将会成为月球大气和尘埃环境探测器(LADEE,Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer)的中心任务。

再下一步,NASA 将会进行激光通信中继演示(LCRD,Laser Communications Relay Demonstration),这将成为 NASA 的首个长期光通信任务。LCRD 将会帮助建立应用于近地和深空通信的概念和传输技术。

美国“月球勘测轨道飞行器”项目耗资4.91亿美元,于2009年进入月球轨道,重点考察月球两极,为未来载人探月寻找合适的着陆点。©

本文发表于水景一页。永久链接:<http://cnzhx.net/photonics/news/first-inter-planetary-laser-communication/>。转载请保留此信息及相应链接。

1 条关于 “人类首次星际空间激光通信” 的评论

  1. 引用通告: NASA 即将建立到月球的双向激光通信连接 | 光子学·Photonics

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