近日美国宇航局(NASA)传来振奋人心的消息，一束激光信息从1亿英里之外传回地球，这并非来自外星人的侵扰，而是NASA的Psyche号宇宙飞船成功发射的深空光通信：(DSOC)激光系统的首次测试，被形象地称为"首次点亮"。这标志着人类首次在比月球更远的地方使用激光进行数据传输，揭开了未来宇航通信的新篇章。

Psyche号宇宙飞船目前距离地球1亿英里，比月球还要远四倍。这次深空光通信的测试为NASA提供了难得的实践机会，该技术的应用潜力巨大，尤其是在执行未来的深空任务时，如从火星与地球进行视频通话。通过这项技术，宇航员将能够在太空中实现高清视频通信，极大地提高了太空任务的实时交流效率。

这次激光系统的测试不仅仅是技术上的突破，更是NASA迈向未来太空通信的坚实一步。深空光通信系统的应用将为未来太空探索提供更为可靠和高效的通信手段。当前太空任务面临着通信速度慢、数据传输受限等问题，而DSOC的出现将在根本上改变这一现状，使得更多的科学和通信数据能够以更少的能量传输，为太空科学研究和任务执行提供了新的可能性。

NASA的最终目标更是令人瞩目：在整个太空建立一个激光通信网络，类似于地球上使用的光纤电缆网络。这一设想不仅将在技术上具有巨大的挑战，更将为未来的深空探索提供更为强大和稳定的通信基础。通过激光通信网络，太空中的各个探测器、卫星、飞船将能够更加高效地进行数据交换，实现太空科学家们更加紧密的合作，推动太空科学研究的深入发展。

01

“第一道光”

这束激光信息在11月14日从Psyche航天器发射到加利福尼亚州帕洛马山天文台的黑尔望远镜上，被称为“第一道光”。

发射距离近1600万公里，约是月球和地球距离的40倍。这是迄今为止最远距离的激光通信，也是NASA首次成功通过激光向月球以外的地方发送和接收数据。

发射这道激光的Psyche航天器于10月中旬发射升空。在接下来的六年里，它将飞行约36亿公里去探索太阳系中最神秘的小行星之一，火星和木星轨道之间的同名金属小行星16Psyche。

同时搭乘Psyche号升空的还有深空光通信（DSOC）技术。它位于Psyche号上一个大型管状遮阳板和望远镜内，计划执行为期2年的科学考察任务，用于测试向地球发送高带宽测试数据。

“11月14日的测试首次将地面资产和飞行收发器完全结合在一起。”DSOC运营负责人米拉·斯里尼瓦桑在一份声明中说，“我们仍有很多工作要做，但在很短的时间内，我们能够发送、接收和解码一些数据。”

02

技术突破

在航天科研人员探索宇宙的历程中，深空探测是一项极具挑战性的任务。探测器需要穿越遥远的星际空间，克服极端环境和恶劣条件，获取和传输宝贵数据，而通信技术发挥着至关重要的作用。

灵神星探测器与地面天文台进行深空激光通信试验示意图

10月13日，灵神星探测器升空，开启至少为期8年的探索之旅。在任务初期，它配合美国帕洛马天文台的海尔望远镜，测试深空激光通信技术，使用近红外激光编码，与地球团队进行数据收发交流。为此，探测器及其激光通信设备至少需要克服4类困难。

其一是遥远的距离。在深空探测任务中，目标天体与地球的距离往往以“亿公里”为计量单位，这要求通信具备极高的信号强度和稳定性，以确保数据准确传输。

其二是信号衰减与干扰。随着传输距离增大，无线电信号会出现显著衰减，必然给通信带来极大的挑战。尤其在深空环境中，宇宙射线、尘埃等物质会对通信信号产生干扰，目标天体的磁场、电离层等也会破坏信号的传输稳定性。

其三是带宽限制与延迟。相比深空探测任务需求，通信带宽是有限的。探测器想要在有限的带宽内高效地传输数据，有必要采用先进的编码技术和压缩算法，提高数据传输速率。此外，由于距离限制，深空探测任务需要克服不容忽视的时间延迟，单次通信延迟数分钟或数小时是司空见惯的，近似实时通信则非常困难。

其四，能源限制与散热问题值得关注。探测器在有限的能源供给条件下长期执行深空探测任务，为了确保通信高效、稳定，需要采用低功耗的设备和技术。同时，通信设备运行会持续产生大量热量，如何有效散热也成为挑战。

科研人员对这些困难早有预期和准备，“对症下药”，突破了一系列关键技术，为灵神星探测器开展深空激光通信试验打好了基础。

首先，灵神星探测器采用了高速数据传输技术，选定激光束作为传输媒介，配备了大功率激光发射器，利用激光传输速率快、稳定性高等优点，尝试在深空环境中建立激光通信链路。

其次，为了提升通信的可靠性和稳定性，灵神星探测器采用了高效编码技术，通过对数据进行优化编码，可以在有限的带宽内实现更高的数据传输速率。同时，通过采用前向纠错编码等技术，它能够降低误码率，提高数据传输的准确性。

再次，灵神星探测器借助智能调度与控制技术，实现了对通信资源的优化利用。该技术可以根据任务需求和通信环境的变化，自动调整通信协议和传输速率，从而确保在有限的能源条件下实现最佳的通信效果。

最后，为了增强信号接收能力，灵神星探测器采用了多波束接收技术。这种技术利用多个接收天线组成阵列，可以增强信号的接收灵敏度和稳定性，进而在复杂的深空环境中保持稳定的通信联系。

03

内藏玄机

外界不难发现，激光是灵神星探测器深空通信试验的核心要素，那么激光究竟拥有哪些具体优势，能够助力深空通信显著进步？其中有何奥妙玄机？

一方面，深空探测任务对于海量数据、高分辨率图像和视频的需求不断增长，势必要求深空通信具备更高的数据传输速率。面对往往以千万公里“起步”的通信传输距离，无线电波逐渐“力不从心”。

而激光通信将信息编码在光子上，相比无线电波，近红外光波具有更窄的波长和更高的频率，使构建信息传输更加高效流畅的空间数据“高速公路”成为可能。

早期近地轨道激光通信测试示意图

这一点已在早期近地轨道空间试验中初步验证。采取相关自适应和克服大气干扰的措施后，激光通信系统的数据传输速率一度比以往的通信手段高出近百倍。

另一方面，激光通信技术对深空环境的适应性更强。在深空环境中，探测器既要应对无处不在的宇宙射线，又要在穿越小行星带、大行星星环等艰辛的旅程中战胜天体碎片、尘埃等阻碍，无线电信号更易受到干扰。

激光的本质是原子受激发辐射出来的光子束，其中的光子具备高度一致的光学特性，方向性好，能量优势明显。凭借先天优势，激光可以更好地适应复杂的深空环境，构建起更稳定可靠的通信链路。

不过，激光通信要想收获理想的效果，必须做好精确对准工作。以灵神星探测器为例，其飞行计算机主控的制导、导航和控制系统发挥了关键作用，所谓“指向、采集和跟踪系统”确保激光通信终端与地球团队的接装置始终保持精确对准，确保通信稳定，还能有效地降低通信错误率，提高数据传输准确性。

此外，这种精确对准又能帮助太阳翼尽可能多吸收阳光，为激光通信设备提供充沛的能量。

当然，再充沛的能量也要高效利用。激光通信的优势之一是能量利用效率较高，相比传统的无线电通信，能够节省更多能源，减轻深空探测器在有限供能条件下的负担，进而延长探测器的飞行航程和工作时间，收获更多科学成果。

另外，相比传统的无线电通信，激光通信在理论上具备更出色的实时性。这对于深空探索是非常重要的，帮助科学家及时获取数据并开展分析研究。不过，随着通信距离增大，延时现象会逐渐明显，激光通信的实时性优势有待检验。

04

展望未来

当前，深空探测通信工作面临诸多挑战，但随着科技不断发展，未来有望综合运用多种措施解决问题。

比如，为了克服遥远通信距离引发的困难，未来深空探测器有可能综合应用高频通信和激光通信技术。高频通信设备可以提供更高的信号强度，提升通信稳定性，而激光通信具有更高的传输速率和更低的误差率，强强联手，贡献更远距离、更高效的通信成果，应该是可以预期的。

灵神探测器上的深空激光通信装置特写

具体到激光通信技术细节，为了提高带宽利用率和降低延迟，深空探测器有望采用更先进的智能编码和压缩技术。简单地说，根据通信环境的变化，未来深空探测器的激光通信设备会自动调整编码方式和压缩算法，力争实现最佳的数据传输效果，提高传输速率并缓解延迟程度。

为了克服深空探测任务中的能源限制，解决散热需求，探测器将来必然会应用低功耗技术和绿色通信技术，既降低通信系统的能耗，又能够实现高效的热量管理和散热。毫无疑问，随着这些技术实用化、普及化，深空探测器的激光通信系统有望更加稳定地运行，续航力也会显著提升。

随着人工智能和自动化技术不断进步，未来深空探测器有望更加自主高效地完成任务。例如，通过预设规则和算法，探测器可以实现对数据的自动处理和智能化传输控制，避免信息“堵塞”，提高通信效率。同时，人工智能和自动化技术还会帮助科研人员减少操作失误，提高探测任务的准确性和可靠性，激光通信系统也将从中受益。

激光通信毕竟不是万能的，未来深空探测任务有可能逐步实现多元化通信手段的融合。通过综合运用各种通信技术，如无线电通信、激光通信、红外通信等，探测器可以在多路径、多频段发挥最优的通信效果，提高通信的可靠性和稳定性。

同时，多元化通信手段融合有助于实现多任务协同工作，提高探测器的综合性能，进而促使更多类型、数量的探测器在深空执行更复杂的任务。

文章来源： 谁激起心灵深处的涟漪，中国航天报，上观新闻