激光助力空间通信!澳大利亚在南半球安装首个太空激光光学地面站

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澳大利亚在南半球安装了首个太空激光光学地面站,这个望远镜代表了新一代利用激光进行空间通信的技术。

科研人员们将其命名为西澳大利亚光学地面站(WAOGS),并希望当美国宇航局(NASA)在2024年返回月球时,它将成为全球接收月球宇航员高清视频网络的一部分。

为什么我们需要在太空中使用激光?在我们这个全球流媒体服务的时代,你看可能很难想象——从太空传输高清视频,实际上仍然十分困难。

虽然地球上的电信发生了一场革命,但卫星和航天器仍停留在拨号上网的时代。在太空中,没有4G数据连接。没有从轨道上垂下来的光纤电缆。

卫星通过无线电频率(RF)技术传输数据——自从阿姆斯特朗登上月球以来,这种技术几乎没有改变过。研究人员们依靠这些卫星进行通信、气象观测、作物监测、绘图、森林火灾和灾难响应,以及其他广泛的应用。如果想从这些数据和技术进步中获益,加强来自太空的数据传输是至关重要的。

而一旦激光通信可以解决这个数据瓶颈,我们就可以解放卫星,让它们变得更有用,也打开了将超快空间激光互联网传送到地球上任何地方的可能性。

并且,不可否认的是,激光通信比无线电有几个优势,包括速度快得多的数据速率和更高的安全性。

无线电波和光都是电磁波的形式,只是频率不同。电磁波的频率越高,每秒能传输的信息就越多。4G和5G移动电话网络的区别,就在于后者能够采用更高频率来传输更多数据。

澳大利亚5G网络传输数据的速度,已经比以往的4G网络快了几十倍。随着越来越多的人对互联网连接的要求越来越高,4G网络无法足够快地传输数据(没有足够的“带宽”)来满足每个人的需求。

随着卫星数量的增加,每一颗卫星都从不断改进的传感器和摄像机中产生越来越多的数据。而无线电通信,却没有足够的带宽将所有这些数据传回地球。

一颗装有激光发射器的卫星,将能够以比无线电发射器快几万倍的速度,将数据发送传达到地球,从而克服了数据瓶颈问题。它们比无线电发射器更小、更轻——这对航天器来说很重要,因为航天器每增加一公斤,发射成本就会增加数万美元。

但激光不一样,它比无线电波更有方向性——它们可以更精确地指向地面上的接收器。

这意味着以相同频率发射的多个航天器,不会像无线电那样相互干扰。而窃听者要拦截这些数据,则要困难得多。

然而,要使激光通信工作,我们还必须克服一个重大挑战:大气湍流。温度、压力和成分的微小差异,会改变空气的折射率,并使光束的路径发生偏移。而大气湍流会降低激光束链路的质量,进而限制数据发送的速率。解决这个问题的一个办法是“自适应光学”,它以前是为研究宇宙深处的星系而开发的。

大型天文望远镜探测到大气造成的扭曲,并故意使它们的反射镜向相反的方向变形。通过抵消失真,望远镜可以捕捉到更清晰的图像。

同样的技术,可以帮助激光接收器通过大气湍流捕捉到高质量的链路。

如果大气湍流引起的问题能够被克服,这将为地球上超高速的太空互联网开辟道路。

光在太空真空中的传播速度,比它通过光纤电缆的速度快大约50%。因此,通过卫星传送到地球另一端的数据,比通过海底电缆传输到地球另一端的速度快了几分之一秒。而海底电缆,恰恰是目前国际通信的基础——这意味着卫星连接有较低的“延迟”。

低延迟对金融市场来说很重要——在金融市场,几毫秒的时间,就能使股票价值产生数百万美元的差异。

这也是埃隆·马斯克(Elon Musk)的Starlink卫星物联网络背后的一大经济驱动力,该网络最终将包括数万颗通信卫星。

在接下来的几年里,我们可以预期——发射大量通信卫星的公司将会激增,所有这些公司都在争分夺秒地去缩短各个国家和地区之间获取高价值数据所需的时间。

而上述的望远镜,是计划在澳大利亚和新西兰建立的光学地面站网络中的第一个。

澳大利亚国立大学空间研究所的成员、澳大利亚光学地面站网络(AOGSN)的开发人员之一凯特·弗格森(Kate Ferguson)表示,该网络最终将由西澳大利亚、南澳大利亚、澳大利亚首都医科大学和新西兰的四个地面站组成。

这两个空间站将共同合作,在卫星经过澳大利亚上空时将其从一个空间站“移交”到另一个空间站,当卫星进入一个地面站的视野时,从另一个地面站的视野消失。

Kate Ferguson称,通过将这些监测站分散开来,它们的运行受到天气干扰的可能性就会降低。

AOGSN目前正在建设中,但随着技术的开发和测试,要实现和达到网络的全部能力配置,还需要几年的时间。预计AOGSN将成为澳大利亚和新西兰天基互联网通信的骨干基础设施——这对那些生活在澳大利亚农村地区、无法使用光纤宽带速度的人来说尤其有利。

Ferguson博士说:“通过向农村、区域和偏远地区提供更高的带宽,并提高通信基础设施的灵活性,(这些网络)将对灾难处理和紧急响应特别有价值。”

支持安装WAOGS的卫星通信公司Goonhilly地面站的业务发展主管Bob Gough解释称,未来10年,全球空间经济的价值预计将增长两倍。

从2019年到2020年,澳大利亚在全球空间经济市场的份额增长了30%。人们希望,建立激光通信能力,将使这一趋势继续下去。

“我们的愿景是,澳大拉西亚成为南半球从地面到近地轨道、月球和更远的所有先进通信的中心。”Bob Gough博士说。

美国国家航空航天局(NASA)的阿耳特弥斯任务(Artemis missions)的目标是在2024年让宇航员重返月球,然后建立一个永久的月球殖民地,作为载人火星任务的基础。

美国国家航空航天局预计,阿耳特弥斯任务向地球传回的数据,将是上个世纪阿波罗任务的3000多倍。这些数据包括关键的航天器遥测、科学数据和宇航员的视频。

事实上,美国宇航局已经在月球轨道上测试了航天器的激光通信,为人类任务做准备。如果澳大利亚光学地面站网络(AOGSN)成为这个月球任务的一部分,将发挥巨大作用。

Sascha Schediwy是负责设计和建造WA光学地面站的研究小组的负责人,他认为,激光将在下一次人类登月任务中发挥关键作用。

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