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天基无线电和光通信的可能性和局限性

简介: 近60年来,与航天器的通信一直是通过无线电波进行的。随着科技和航空工业的发展,新的通信方法,如激光,正在被使用。

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通信技术的现状


近60年来,与航天器最常见的通信方式是通过无线电波,因为无线电波是最有效的远距离通信方式。


让我们以国际空间站为例。中继卫星位于高度约36,000公里(22,000英里)的地球静止轨道上,提供与空间站的通信。这个轨道实际上允许卫星稳定在地球表面上方的固定线上。


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太空无线电通信有三种类型:宇航员之间的通信、宇航员与地球之间的通信,最后是飞船本身与地球之间的通信。后者需要最先进的技术,这是任务成功的关键因素。


至于对公众的广播,虽然我们从电视台接收到的图像是现场传输的,但由于信号处理和传输,它们仍有大约30秒的(轻微)延迟。这个信号一旦发射,实际上是通过跟踪和数据中继卫星(通常称为“TDRS”,即“Tracking & Data Relay Satellite”)进行处理的,并直接进入休斯顿。


物联网星座


今天有几十个卫星星座(几个卫星同时运行),包括定位系统、电信服务和遥感。中国计划在3年内发射72颗用于物联网的纳米卫星,与俄罗斯和欧洲的发射方式相同。在地面部署了LoRa、Sigfox甚至是最先进的蜂窝技术之后,运营商们开始把目光投向星空。一些公司正在考虑将自己的卫星送入轨道。


这些运营商中有Objenious和Sigfox。 2018年,Sigfox与Eutelsat签署了合作协议,以利用后者已经发射的纳米卫星,并开发自己的名为“ 0G”的网络。另一方面,Obenenious打算创建一个结合了地面和卫星网络的混合网络。


请注意,该想法不是创建新的IoT协议,而是使现有协议与空间频段兼容。Objenious并没有打算放弃其LoRa模块的开发,而是希望最终只拥有一个支持多种技术的模块。


雄心勃勃的运营商们打算覆盖整个领土,特别是当前解决方案未涵盖的区域。在这些地区中,我们发现很大一部分是海洋领土,部署卫星网络比安装天线要便宜。如果再加上与空间开发相关的有利税收,运营商进入21世纪的太空竞赛似乎是未来几年的主要趋势之一。


我们将走多远


你听说过旅行者计划吗?这是美国国家航空航天局设立的一个太空项目,旨在探索最遥远的行星(如土星、木星)。旅行者1号是1977年发射到太空的两个探测器之一。它于2012年离开太阳系。即使在今天,在距离地球200多亿公里的地方,探测器仍然能够与我们交流一些信息。这怎么可能?该通信系统由一个直径超过3.7米的抛物面天线支持发射和接收来自地球的无线电波。


如今,探测器仅传输非常少量的信息,这需要20多个小时才能到达地球。


光学解决方案


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去年,欧洲航天局宣布部署一颗通信卫星,成为低轨道与地球之间的主要中继站。 在此之前,这些低轨道卫星(距地球表面36,000公里以下)必须经过地球上的中继点才能进行通信。这颗新卫星将检索此信息,并将其发送到更容易从其高地球静止轨道访问的地面中继点。


尽管空间与地球之间的通信通常是通过无线电波进行的,但该项目的创新之处在于使用了激光,与目前使用的技术相比,吞吐量更高(快了10到100倍),并且能耗更低 。NASA还希望在2020年之前通过在现有卫星和ISS上安装光子调制解调器(允许使用光学解决方案)来部署新网络。 这样,NASA将受益于更小,更便宜的解决方案。


光通信有着光明的未来,因为除了允许空间物体和地球之间的对话外,它们还帮助推进了几个领域(特别是气象学)的科学研究,而这一即时性在今天仍然是不可能的。美国宇航局甚至宣布有可能从其他行星的表面发送视频!


无线电波的终结


然而,无线电波仍然具有许多优点,例如更好地抵抗气候条件。事实上,光束目前在下雪或下雨的天气中是不可靠的,并且可以被一朵云干扰(更不用说其他行星的大气条件了)。此外,这种技术仅在通信需要高吞吐量时才有意义。


而且安装费用昂贵!所有的地面基础设施都必须建立起来,因为激光的技术与无线电完全不同;后者是基于美国宇航局的“深空网络”(一个国际天线网络)。为了扩大光通信的使用范围,除了在天气好的地区修建新的站点外,别无选择。换句话说,还有很长的路要走。


PS:听说过太空黑客吗


在1940年代,美国陆军希望利用陨石进入大气时留下的电离痕迹来进行长距离通讯。这些电离痕迹可以反射一些无线电波。


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应该指出的是,空间不仅仅是大国的游乐场!从1953年起,那些热衷于无线电通信的太空黑客开始对这个话题感兴趣。当电台“预约(make an appointment)”发送和接收电波时,大多数通信都是可能的。但由于他们几乎不可能确定流星轨道是否位于无线电通信的适当位置,因此通常会连续发送相同的消息,直到接收站确认收到相同的消息。然而,已经建立了协议来规范这些传输。


通过使用流星的电离轨迹,太空黑客能够在不等待接收站提前准备的情况下传播无线电信息。通过语音或莫尔斯电码,无数的信息被交换,直到2000年代,计算机程序用越来越复杂的传输系统取代了这些被认为是过时的方法。


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