最近，有一項激動人心的技術進展：在2023年12月11日的技術演示中，NASA首次利用激光從距地球約3100萬公里（約為地月距離的80倍）的深空發送傳回了一段超高清流媒體視頻。這段視頻顯示了一只名為塔特斯（Taters）的橘色虎斑貓（orange tabby cat）追逐一個移動的激光光點的畫面，非常靈活生動。這也標志著一個歷史性的里程碑——盡管此前研究人員曾利用激光在近地軌道和月球之間傳輸信號，但這一技術還是第一次在深空展示。

那么，這次深空激光通信演示有何特別之處？激光通信的基本原理又是什么？而中國在這一領域的布局又如何呢？大家好，我是中國科學院國家空間科學中心的周炳紅。首先，我們先來看看激光通信的基本原理。

激光通信的原理

它不同于波長更長、頻率更低的傳統射頻微波通信。在激光通信中，信息（如文字、圖片、聲音或視頻數據）首先被編碼成可以通過激光信號傳輸的格式。最簡單的比喻就是，用手電筒對著遠處的朋友發送摩爾斯電碼，其中手電開代表1，關代表0。激光通信亦是如此，只是我們使用的是精準的激光束。對深空探測任務而言，地面接收端通常是直徑幾米的光學望遠鏡，它負責收集深空傳來的激光，并將其轉換為電信號，以解碼傳遞過來的信息。

超高清視頻的傳輸成果

這次NASA用激光從深空傳回的超高清視頻，顯示了這項技術的顯著進步。想象一下，這是從3100萬公里外傳回的高清視頻！以前，通過無線電波傳輸數據，如果從火星傳回地球，其波束發散將達到地球直徑的100倍那么大。而激光通信的波束擴散僅有地球直徑的0.1倍。與無線電波通信相比，激光通信的主要優勢在于它更快且更輕。這意味著數據可以在更短的時間內傳輸完成，減少了航天器的電源使用，同時還減少了支持任務所需的中繼終端和地面站點數量。此外，光通信終端體積小、重量輕、能耗低，從而使主任務能夠搭載更多科學儀器或降低成本。

它為未來從深空傳回復雜科學信息、高清圖像和視頻的高數據速率通信鋪平了道路，甚至可以支持人類的下一個巨大飛躍，將人類送上火星。

那么，中國在激光通信的布局又如何呢？

中國在激光通信領域的發展同樣令人矚目。我們在2016年的墨子號量子通信衛星和實踐13號等衛星項目中，已經進行了衛星到地面的高速激光通信技術試驗驗證，實現了超過5Gbps的通信速率，這是普通家庭100M寬帶速度的50倍。此外，我國探月工程四期已經計劃開展地月激光通信技術驗證試驗，利用經過適應性改造的中國科學院的光學望遠鏡系統來實現這一目標。

結尾

激光通信不僅將改變我們的太空探索方式，還可能為我們的日常生活帶來革命性的變化。我國已經宣布2030年左右，將航天員送上月球表面，相信那個時候，我們一定可以看到中國人在月球上的高清視頻直播，而且是用激光通信技術實現的！讓我們共同期待這個深空激光通信的未來！

本文為科普中國·星空計劃扶持作品

作者：周炳紅 中國科學院國家空間科學中心研究員

審核：孫志斌 中國科學院國家空間科學中心研究員

出品：中國科協科普部

監制：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

來源: 星空計劃

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