NASA 即将建立到月球的双向激光通信连接

NASA 即将于今年九月份发射的 LADEE(Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer,月球大气和尘埃环境探测器)上将会搭载双向激光通信设备进行月球激光通信演示(LLCD,Lunar Laser Communication Demonstration)。

去年3月份,NASA 通过月球勘测轨道飞行器(LRO)进行了单向的激光通信传输实验,将一幅小型的蒙娜丽莎图片发送到了月球,数据传输速率大约 300bit/s。

到今年九月,一个更快速的、可双向通信的月球激光通信演示(LLCD)设备就会发送到月球。如果一切顺利,该演示系统有望以 20Mb/s 的速度接收通过激光从地球发射的数据,而从月球到地球的传输速度更高,可以达到 620Mb/s。这比我们这里很多家庭的宽带要快多了。目前我们家庭的宽带还多是 4Mb 带宽的 ADSL。这个实验有可能让飞行器能够从别的星球上发送高清视频回来。

过去几年,不少地球轨道飞行器都测试过到地面和飞行器间的激光通信连接。也有过发送激光信号到飞往木星的飞行器,并与飞往水星的飞行器进行数据交换的经历。但是 LLCD 将是我们建立过的最长久的激光通信链路。LLCD 将会使用一个直径 10 厘米的望远镜接收信号,然后使用大约 0.5W 的激光将其传送回地球。

Photo: NASA 进行月球激光通信演示(LLCD,Lunar Laser Communication Demonstration)的组件装载到月球大气和尘埃环境探测器(LADEE,Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer)上

Photo: NASA
进行月球激光通信演示(LLCD,Lunar Laser Communication Demonstration)的组件装载到月球大气和尘埃环境探测器(LADEE,Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer)上

LLCD 通信装置将会搭载在 NASA 的月球大气和尘埃环境探测器(LADEE)上。一旦 LADEE 到达月球,LLCD 就会启动,在轨道飞行器进行初始化检查期间,将会有一个月的时间来演示激光通信。Don Boroson(器件设计团队领导人) 希望这些时间的演示足够向那些筹划未来飞行器的任务设计者们证明该技术的价值。目前,所有的深空通信都用无线电波,需要用到的天线甚至比飞行器本身还大。但是激光通信系统就小多了,而且 NASA 估计它还要快 10 到 100 倍。这很大程度上是因为激光通信使用的近红外光比无线电波的波长更短,在空间传输的时候也不会象无线电波那样远远地发散开来。更加收敛的光束可以转化更多功率和更高的传输速度。LADEE 的无线电信号发送回地球的时候,覆盖面积比地球都大,而 LLCD 的激光束到达地球的时候,光斑直径大约 6km。

轨道飞行器上的震动会引起 LLCD 的望远镜的移动,可能会使光束偏离目标。LLCD 通过微调自己的朝向来应对这一情况。它使用惯性传感器来跟踪移动。在地球上,使用基于超导纳米线的紧凑型高灵敏探测器来拾取由 LLCD 发射的每个光子,在几十皮秒的时间内确定它们的到达时间。

天气是个很大的限制。尽管整天都可以接收到光信号,但是它们无法穿透云层。因而 LLCD 有三个接收地点,分散在不同的地区。如果一个地点有云,另一个地点也许就没有。实在不行,还可以添加更多的接收地点。

LLCD 使用亮度 —— 有光或无光 —— 来编码数据。当然,信息也可以编码为相位或者光波的时序。欧洲太空总署(ESA,European Space Agency)于七月发射的地球轨道卫星 Alphasat 就使用相位来调制数据,可以获得更高的速度,但是需要在地球上设置更大的望远镜来接收信号。而对于深空通信,信号更加微弱,因而当光束被大气湍流干扰后就很难恢复相位信息。

通信一直是空间探测的瓶颈。有了更高传输速度的激光通信,我们就可以从空间探测器上获取更多的信息。LLCD 是展示深空激光通信非常有意义的一步。

via spectrum.ieee.org©

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

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