Аннотация:
Раньше наземному персоналу приходилось ждать четыре-пять минут, чтобы панорамную фотографию Луны в сверхвысоком разрешении 8K отправили обратно с лунной орбиты. Сегодня ту же фотографию можно отправить примерно за 12 секунд. Это изменение было вызвано недавно завершенным испытанием двусторонней высокоскоростной лазерной связи Земля-Луна. В ходе этого испытания была установлена стабильная и высокоскоростная лазерная связь между Землей и Луной на расстоянии 400 000 километров, что эквивалентно созданию «информационной магистрали» между Землей и Луной.
Принципиальная схема двусторонней лазерной связи в масштабе Земля-Луна. Источник изображения: Центр прикладной космической техники и технологий Китайской академии наук.
Каковы преимущества цис-лунной лазерной связи? Какие технические трудности необходимо преодолеть, чтобы обеспечить двустороннюю лазерную связь между Землей и Луной? Какие изменения последуют? Обсуждая эти вопросы, 1 сентября журналисты Science and Technology Daily взяли интервью у соответствующих экспертов.
Первый вопрос: каковы преимущества лазерной связи Земля-Луна?
Традиционная радиочастотная связь основана на радиоволнах, а лазерная связь использует передачу световых волн, которая в принципе ближе к широкополосной связи по оптоволоконному кабелю. Самыми большими преимуществами лазерной связи являются большая пропускная способность и высокая скорость. Когда оборудование, установленное на спутнике, одинаково по размеру, весу и энергопотреблению, скорость лазерной связи может быть в 10–100 раз быстрее, чем традиционная микроволновая связь.
«Радиочастота похожа на обычное шоссе с ограниченными полосами движения и легкой загруженностью; лазер похож на многополосное шоссе, которое может передавать гораздо больший объем данных за одно и то же время». Ян Лэй, исследователь из Центра космической техники и технологий Китайской академии наук, объяснил, что на расстоянии между Землей и Луной традиционная радиочастотная связь очень сложна для передачи видео высокой четкости или массивных научных данных, в то время как лазерная связь может легко справиться с этой задачей.
Еще одним преимуществом лазерной связи является то, что разглашать секреты непросто. Лазерный луч особенно концентрирован и не «распространяется», как радиоволны. Энергия не распространяется повсюду, поэтому другим людям сложно перехватить сигнал на полпути. «Лазер подобен фонарику, светящему везде, где он светит. Микроволновая печь больше похожа на передачу через громкоговоритель с большим радиусом действия, но каждый может ее услышать». Ян Лэй живо сказал.
Второй вопрос: Какие проблемы необходимо преодолеть за 400 000 километров двусторонней лазерной связи?
400 000 километров эквивалентны 10 оборотам вокруг экватора Земли, и свету требуется более 1 секунды, чтобы пройти путь от Луны до Земли. Чтобы добиться двусторонней лазерной связи на таком большом расстоянии, нам необходимо преодолеть три препятствия: слабый сигнал, трудности с прицеливанием и медленную передачу.
Хотя лазерный луч концентрируется в определенном направлении, после прохождения 400 000 километров он все равно сильно рассеивается. Когда он достигнет наземного телескопа, он может иметь лишь немного того, что было при запуске, и станет очень слабым. Наземная принимающая сторона должна использовать высокочувствительный детектор, чтобы «распознавать» слабые фотоны на фоне фонового шума. «С этой целью мы создали массив однофотонных детекторов из сверхпроводящих нанопроводов. Это похоже на сверхчувствительный «глаз», который может улавливать фотоны. Он имеет очень мало шума и очень быстро реагирует. В сочетании с разработанным нами алгоритмом обработки сигнала, даже если сигнал настолько слаб, что почти «тонет» в шуме, его можно «выловить» из-за большого количества помех». Сказал Ян Лэй.
При этом луч лазера очень узкий, Земля и Луна постоянно движутся, а сама спутниковая платформа тоже слегка вибрирует. Наземные станции и спутники всегда должны быть точно выровнены; если они хоть немного сдвинуты, ссылка может быть повреждена. Ян Лэй провел аналогию: «Это все равно, что направить лазерный луч из Пекина на небольшую движущуюся точку на Луне и зафиксировать ее».
Источник изображения: Visual China
Чтобы решить эту проблему, исследовательская группа придумала несколько способов: во-первых, точно рассчитать орбиту спутника и заранее спрогнозировать положение, чтобы телескопы с обеих сторон знали, куда направить, и не промахнулись мимо цели; во-вторых, наземная станция объединяет несколько лазерных лучей в один и отправляет их. , а затем корректировать направление в реальном времени в соответствии с изменениями температуры и угла места, чтобы обеспечить стабильную посадку на спутник; в-третьих, как на передающем, так и на приемном конце выполнена сильная оптическая изоляция, чтобы предотвратить ослепление детектора сильным лазером, так что одновременный прием и прием световых сигналов не будут мешать друг другу.
Сигнал получен, скорость передачи должна поддерживаться. Трудность в том, что эти фотоны приходят не регулярной очередью, а редки и прерывисты. Чтобы объединить их в полную информацию, время должно быть очень точным, с точностью до пикосекунды. В чем заключается понятие пикосекунды? Одна триллионная доля секунды, что в бесчисленное количество раз короче времени, за которое вы моргаете. Команда специально разработала технологию распознавания времени на пикосекундном уровне и технологию обработки широкополосной связи, которая эквивалентна присвоению сверхточной «метки времени» каждому фотону, так что их можно легко объединить без какого-либо хаоса.
Вопрос 3: Как эта технология поможет будущим исследованиям Луны и миссиям в дальний космос?
"В будущем мы построим международную лунную научно-исследовательскую станцию и проведем на ней различные научные эксперименты (испытания). Эти научные эксперименты (испытания) позволят генерировать огромные объемы данных. Способ передачи данных обратно на Землю всегда был узким местом связи, ограничивающим прогресс научных исследований. Этот технологический прорыв имеет большое значение в преодолении этого узкого места". сказал Ван Цян, заместитель директора Центра прикладной космической техники и технологий Китайской академии наук.
Что еще более важно, расстояние между Землей и Луной — это лишь отправная точка. Ян Лэй сказал, что такие технологии, как высокоточное отслеживание, обнаружение слабых сигналов и высокоскоростная обработка однофотонных сигналов, проверенные на этот раз, могут быть в дальнейшем распространены на Марс, астероиды и даже на дальнейшие миссии в дальний космос, и будут эффективно поддерживать исследования дальнего космоса моей страны для достижения более оригинальных научных результатов.
Комментарии