美国宇航局离完善深空超高速互联网又近了一步

在 1969 年 7 月的阿波罗 11 号任务之前，NASA 没有可靠的方法将太空中产生的数据传回地球。

然而，当时活着的每个人都可能记得尼尔阿姆斯特朗走出着陆器并发表他著名的“人类的一小步”演讲的镜头。

这是可能的，因为 NASA 建立了一个专用通信网络和一个新的广播标准，以确保他们能够为数百万人弥合地球和月球之间 238,000 英里的差距。

该网络本身由分布在世界各地的均匀分布的天线设施组成，一个在加利福尼亚的莫哈韦沙漠，一个在西班牙，两个在澳大利亚，因此当地球自转时，其中一个总是面向月球。

但即便如此，带宽仍然是一个大问题，因为网络只能支持 4.5 MHz 广播频谱中非常有限的数据流，而且其中大部分被从月球着陆器和轨道飞行器发回的数据所阻塞，剩下的还远远不够结束视频。

NASA 通过将视频信号从标准的每秒 30 帧的 525 条扫描线（当时电视的标准）更改为更小的格式（仅 320 条扫描线和每秒 10 帧）来进行补偿。 

这是一个低分辨率的视频，但全世界数以百万计的观众似乎并不介意。此后，NASA 恢复并增强了原始镜头，因此现在可以更详细地查看它，尽管它几乎无法达到当今照片和视频的高清质量。

照片和视频的高质量是深空网络面临的最大挑战之一，这就是美国宇航局现在所说的天线复合体系统。用于月球任务的原始无线电波天线仍然存在，并辅以较小和较大的天线以增加带宽。

随着所有正在进行的太空任务，这些天网络非常繁忙，任何人都可以在支持实时监控的特殊网站上看到。

位于美国的一根天线突然启动并开始与火星奥德赛轨道器通信，该轨道器目前距离地球 3.12 亿公里。那个往返信号用了 34 分钟。与此同时，另一根天线启动并开始接收来自距离地球仅 172 万公里的詹姆斯·韦伯太空望远镜的数据，这使得往返飞行只需 11.4 秒。

在马德里的其他地方，那里的一根天线不断地与韩国探路者月球轨道器通信，接收来自 37.1 万公里外的数据。而深空网络总是很忙。从未见过天线空闲的时候。

这也难怪，因为尽管有新天线，但带宽永远不够用。考虑前面提到的詹姆斯韦伯望远镜。它每天可以生成数 GB 的数据，但必须以大约 25Mbps 的速度将所有数据传输回地球。其他一些距离更远的航天器的可用带宽速度甚至更低。

观看了 NASA 的Wind 航天器以每秒 73 KB 的速度传输了一个多小时。可怜的航海者一号，漂流到距地球 238 亿公里的地方，只能以平均每秒 100 比特的速度传输数据。

直到最近，NASA 还没有一个好的解决方案来为深空网络构建额外的带宽。建造更多的天线有帮助，但也仅此而已。

2017 年，NASA 开始试验激光通信系统，这似乎是无线电波的完美替代技术，因为在太空中没有什么东西可以阻挡或干扰激光。

该计划的一部分，即 TeraByte InfraRed Delivery（或TBIRD）系统，刚刚取得了惊人的成功，它使用红外激光束以 200 吉比特/秒的速度将在轨道上运行的探路者技术演示 3 立方体卫星上来自太空的实验数据传输回地球。

以这样的速度，前面提到的一些需要数小时才能完成的深空网络传输可能在不到一分钟的时间内完成，其中一些甚至不到一秒。这种能力将改变我们在太空中交流的方式。

想象一下空间科学仪器的威力，当它们可以被设计成充分利用探测器速度和灵敏度的进步，进一步推进人工智能处理大量数据的能力时。激光通信是使未来科学发现成为可能的缺失环节。

使用 1960 年代用于太空任务的无线电等技术，尝试从太空传输由现代设备、相机和最终人类探索者收集的关键数据变得不合理。

相反，TBIRD 系统的红外激光器可以提供更好的路径，特别是如果技术不断改进，并且可以通过来自更远的深空的更多数据流取得成功。