太空通联新设想：在火星搭建互联网

2024-02-21 09:09:17 来源：科技日报

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也许几十年后，当宇航员登陆火星时，他们需要新的联系方式，无论是彼此之间的交流，还是与周围设备的联系，或是与地球任务控制中心进行通信。遥远星球上的宇航员更希望能与地球上的亲人进行视频聊天，通话质量清晰且无延迟。

但是，在火星连接地球上的WiFi似乎是不可能的，因为地球距离火星实在是太遥远了。人们或许需要另一种策略。欧洲空间局（ESA）系统工程师克莱尔·帕菲特表示，建立良好的通信基础设施对于人类完成火星任务至关重要。

太空旅行的未来发展必然伴随着更好的通信方式的出现。那么，火星上可能有互联网吗？

“精心编排的舞蹈”连接地火通信

国际宇航联空间运输委员会副主席杨宇光在接受科技日报记者采访时表示，人类在本世纪是不可能殖民火星的，但有必要在这里建立永久驻留基地。基于这一前提，才要在火星上建立互联网。

不过，在人们搭建火星互联网之前，首先要了解火星上现有的通信方式是如何运作的。

据美国《科学新闻》杂志网站介绍，地球与火星的许多通信都是通过火星中继网络进行的。目前，在火星轨道上运行的5个探测器组成了这个网络，它向火星地面任务发送指令，并从它们那里接收科学数据。这5个探测器是美国国家航空航天局（NASA）的火星勘测轨道飞行器、火星大气与挥发物演化探测器、火星奥德赛探测器和ESA的火星快车和微量气体轨道飞行器。NASA将其描述为“一支精心编排的舞蹈”。

ESA目前正在探讨“火星通信和导航基础设施”概念。如果继续推进，该项目将强化目前的中继网络，并开发一套与通信和导航相关的有效载荷，可搭载在任何前往火星的飞行器上。一旦部署到轨道上，这些有效载荷将充当节点，在火星上提供无线通信。它们也可留在那里，供未来的任务使用。

太空激光通信是关键技术

虽然传统的无线电频率足以满足低数据速率，但使用激光链路可在同一时间帧内传输10到100倍的数据。由于光波的频率更高，是无线电波的数十万倍，可容纳更多的信息。因此，这种类型的光信号正是空间通信的发展方向。

“激光通信是太空宽带所需的关键技术。”杨宇光介绍说，“激光通信是一种利用激光光束进行信息传输的通信技术，属于电磁波的一种。相对于传统的无线电波通信，激光通信具有许多优势。”

具体而言，激光通信的光波短，具有很高的频率，因此能实现更高的数据传输速率。激光通信也能将光的能量高度集中在一个小的空间范围内，通信时所需的能量相对较低，有助于降低通信系统的能耗。激光束发散角小，使通信信号能更准确地传输到目标地点。此外，相对于无线电波，激光通信在大气层以外的真空环境中受到的干扰较少，表现更为稳定。

NASA的“普赛克”号航天器于去年10月升空，其中一个重要任务就是引入深空光通信（DSOC）系统，测试激光通信的可行性。DSOC不仅代表着深空通信能力的增强，而且代表着范式的转变，有望彻底改变深空任务。

去年11月中旬，“普赛克”号航天器从1600万公里的距离向地球发送了数据。12月，它从3100万公里外发送了一段可爱猫咪的视频。这是NASA首次使用激光从深空传输视频。

ESA也在探索长距离光通信。一项名为ScyLight的项目正在支持光学和量子技术的研究和开发，以实现安全、快速的太空数据通信。

搭建火星互联网的构想

杨宇光向记者描述了其构想：未来，如果想在火星上网，那么应该在地球轨道和火星轨道上分别设有一个大型中继站。两个中继站之间可使用激光通信，而中继站与地球和火星之间则分别使用无线电通信。

杨宇光表示，当太阳运行到地球和火星之间时，由于太阳的电磁波谱很宽，必然会对地火通信产生干扰。届时，在日地拉格朗日L4、L5点设置两个中继站，可规避太阳遮挡的问题。

去年6月，德国柏林工业大学的托比亚斯·普范策尔特和大卫·贝姆巴赫提出，围绕火星运行的卫星群可为这颗红色星球提供分支互联网。

拟议中的火星网络将类似于太空探索技术公司（SpaceX）运营的“星链”系统。在地球上，通过卫星覆盖宽带互联网和移动电话的成本很高。但在火星上，这样的系统可能比在地球上建立一个庞大的网络更便宜、更容易。

普范策尔特和贝姆巴赫利用边缘计算推导出，由81颗围绕火星的低轨卫星组成的星座足以覆盖整个火星。它们将提供一个本地通信系统，成为地球互联网的延伸。