近日，美國Psyche探測器在1600萬公里外完成了地面設施的深空雷射通訊試驗，創造了太空光通訊距離的新紀錄。 那麼雷射通訊有哪些優勢呢？根據技術原理和任務要求，需要克服哪些困難？未來，它在深空探測領域的應用前景如何？
技術突破不懼挑戰
在太空研究人員探索宇宙的過程中，深空探索是一項極具挑戰性的任務。 太空飛行器需要穿越遙遠的星際空間，克服極端環境和惡劣條件，獲取和傳輸有價值的資料，而通訊技術起著至關重要的作用。 
聖體探測器與地面天文台進行深空雷射通訊測試的示意圖。
10 月 13 日，Psychistan 探測器公升空，進行了至少八年的探索。 在任務開始時，它與美國帕洛瑪天文台的海爾望遠鏡合作，測試深空雷射通訊技術，使用近紅外雷射編碼與地球團隊一起傳送和接收資料。 為此，探測器及其雷射通訊裝置至少需要克服4種困難。
一是距離長。 在深空探測任務中，目標物體與地球之間的距離往往以“億公里”為單位，這需要極高的訊號強度和穩定性，才能保證準確的資料傳輸。
二是訊號衰減和干擾。 隨著傳輸距離的增加，無線電訊號會明顯衰減，這必然會給通訊帶來很大的挑戰。 特別是在深空環境中，宇宙射線、塵埃等物質會干擾通訊訊號，目標天體的磁場和電離層也會破壞訊號的傳輸穩定性。
第三是頻寬限制和延遲。 與深空探測任務的需要相比，通訊頻寬有限。 如果探測器想要在有限的頻寬內高效傳輸資料，就需要使用先進的編碼技術和壓縮演算法來提高資料傳輸速率。 此外，由於距離的限制，深空探測任務需要克服不可忽視的時間延遲，單次通訊延遲幾分鐘或幾小時是很常見的，而近似實時通訊非常困難。
第四，能源約束和散熱問題值得關注。 探測器在能源供應有限的情況下長期執行深空探測任務，為了保證高效穩定的通訊，需要低功耗的裝置和技術。 同時，通訊裝置的執行將持續產生大量熱量，如何有效散熱也成為挑戰。
科研人員早就預見到並做好了這些困難的準備，“開正藥”，在一系列關鍵技術上取得了突破，為靈神探測器開展深空雷射通訊實驗奠定了良好的基礎。
首先，靈神探測器採用高速資料傳輸技術，選擇雷射束作為傳輸介質，並配備高功率雷射發射器，利用雷射傳輸速率快、穩定性高的優勢，嘗試在深空環境中建立雷射通訊鏈路。
其次，為了提高通訊的可靠性和穩定性，靈神探頭採用高效編碼技術，通過優化資料的編碼，可以在有限的頻寬內實現更高的資料傳輸速率。 同時，通過採用前向糾錯編碼等技術，可以降低誤位元速率，提高資料傳輸的準確性。
第三，借助智慧型排程與控制技術，靈神探頭實現了通訊資源的優化利用。 該技術可根據任務要求和通訊環境的變化自動調整通訊協議和傳輸速率，從而保證在有限能量條件下達到最佳通訊效果。
最後，為了增強訊號接收能力，領星探頭採用了多波束接收技術。 該技術利用多個接收天線組成陣列，可以增強訊號的接收靈敏度和穩定性，進而在複雜的深空環境中保持穩定的通訊連線。
優勢明顯，內藏神秘
外界不難發現，雷射是靈神探測器深空通訊實驗的核心元素，那麼雷射器有哪些具體優勢能夠幫助深空通訊取得重大進展呢？這其中有什麼奧秘？一方面，深空探測任務對海量資料、高解像度影象和高質量的需求日益增長，必然要求深空通訊具有更高的資料傳輸速率。 面對往往從數千萬公里“開始”的通訊傳輸距離，無線電波逐漸“不堪重負”。
雷射通訊對光子上的資訊進行編碼，與無線電波相比，近紅外光波具有更窄的波長和更高的頻率，從而可以構建更高效、更暢通的資訊傳輸空間資料“高速公路”。
早期近地軌道雷射通訊測試示意圖。
這在早期的低地球軌道空間試驗中得到了初步驗證。 在採取相關的自適應和克服大氣干擾措施後，雷射通訊系統的資料傳輸速率一度比以前的通訊方式高出近100倍。
另一方面，雷射通訊技術對深空環境的適應性更強。 在深空環境中，探測器既要應對無處不在的宇宙射線，又要克服穿越小行星帶和大星環的艱辛旅程中的天體碎片和塵埃等障礙，無線電訊號更容易受到干擾。
雷射的本質是被激發的原子發射的光子束，其中的光子具有高度一致的光學性質、良好的方向性、明顯的能量優勢。 憑藉其固有的優勢，雷射器可以更好地適應複雜的深空環境，構建更穩定可靠的通訊鏈路。
然而，為了使雷射通訊達到預期的效果，必須精確對準。 以靈神探測器為例，其飛行計算機的制導、導航和控制系統起著關鍵作用，所謂的“指向、獲取和跟蹤系統”保證了雷射通訊終端與地球隊的連線裝置始終準確對準，保證了通訊的穩定，還可以有效降低通訊誤位元速率，提高資料傳輸的準確性。
此外，這種精確的對準有助於太陽翼吸收盡可能多的陽光，為雷射通訊裝置提供充足的能量。
當然，無論能量多麼豐富，都必須得到有效的利用。 雷射通訊的優點之一是能量利用效率高，比傳統的無線電通訊可以節省更多的能量，減輕深空探測器在有限供能條件下的負擔，進而延長探測器的飛行距離和工作時間，收穫更多的科學成果。
此外，雷射通訊理論上比傳統的無線電通訊具有更好的實時性。 這對於深空探測非常重要，有助於科學家及時獲取資料並進行分析研究。 但隨著通訊距離的增加，延遲現象會逐漸變得明顯，雷射通訊的實時性優勢有待檢驗。
展望未來，還有更多可能
目前，深空探測和通訊面臨諸多挑戰，但隨著科學技術的不斷發展，預計未來將採用多種措施來解決問題。 例如，為了克服通訊距離長帶來的困難，未來的深空探測器可能會採用高頻通訊和雷射通訊技術相結合的方式。 高頻通訊裝置可以提供更高的訊號強度，提高通訊穩定性，而雷射通訊具有更高的傳輸速率和更低的錯誤率。
Psitron探測器上的深空雷射通訊裝置的特寫。
具體到雷射通訊技術的細節，為了提高頻寬利用率和減少延遲，深空探測器有望採用更先進的智慧型編碼和壓縮技術。 簡單來說，未來深空探測器的雷射通訊裝置會根據通訊環境的變化，自動調整編碼方式和壓縮演算法，力求達到最佳的資料傳輸效果，提高傳輸速率，緩解延遲程度。
為了克服深空探測任務中的能量限制，解決散熱需求，未來探測器必然會應用低功耗技術和綠色通訊技術，這不僅可以降低通訊系統的能耗，還可以實現高效的熱管理和散熱。 毫無疑問，隨著這些技術的實際應用和普及，深空探測器的雷射通訊系統有望更加穩定地執行，續航能力也將得到顯著提高。
隨著人工智慧和自動化技術的不斷進步，未來深空探測器有望更自主、更高效地完成任務。 例如，通過預設的規則和演算法，探測器可以實現資料的自動處理和智慧型傳輸控制，避免資訊“阻塞”，提高通訊效率。 同時，雷射通訊系統將受益於人工智慧和自動化技術，幫助科學家減少操作員錯誤，提高檢測任務的準確性和可靠性。
畢竟雷射通訊不是萬能的，未來的深空探測任務可能會逐步實現多樣化通訊手段的融合。 探測器通過綜合運用各種通訊技術，如無線電通訊、雷射通訊、紅外通訊等，可以在多路徑、多頻段發揮最優的通訊效果，提高通訊的可靠性和穩定性。
同時，多樣化通訊手段的融合有助於實現多工協同，提高探測器的綜合性能，進而推動更多型別、數量更多的探測器在深空執行更複雜的任務。
本文原載於《中國航天報》飛天科學週刊
文字：索尼克。
編輯：高晨。
評論楊健楊磊。
監製：索阿迪。