“实际上没有任何地方可以改善在射频上运行的技术。 简单的解决方案就此结束。”
2018年11月26日，莫斯科时间22:53，美国国家航空航天局再次进行了这项工作-InSight探测器进入大气，下降和着陆演习后成功降落在火星表面，后来被称为“六个半分钟的恐怖”。 一个适当的描述，因为由于地球与火星之间的通信暂时延迟（大约需要8.1分钟），因此NASA工程师无法立即发现太空探测器是否成功地安放在了行星表面上。 在此期间，InSight无法依靠其更现代，功能更强大的天线-都依赖于老式的UHF通信（从广播，对讲机到蓝牙设备，这种方法长期以来一直被广泛使用）。
结果，关键的InSight数据通过无线电波以401.586 MHz的频率传输到
Kubsat ，WALL-E和EVE两颗卫星，然后以8 Kbps的速度传输数据到地球上的70米天线。 幼崽与InSight是在同一枚火箭上发射的，它们陪同他前往火星，观察着陆情况并立即向家中传输数据。 其他轨道上的火星飞船，例如
火星侦察卫星 （MRS），处于不舒适的位置，起初无法提供与着陆器的实时消息传递。 并不是说整个着陆取决于两个实验性的Kubsat，它们的大小分别是手提箱的大小，但是MPC只能在更长的等待时间之后才能从InSight传输数据。
InSight着陆实际上测试了NASA的整个通信架构，即火星网络。 从InSight着陆模块发送到轨道卫星的信号无论如何都会到达地球，即使卫星发生故障也是如此。 即时信息传输需要WALL-E和EVE，他们已对此进行了应对。 如果这些Kubsats由于某种原因没有工作，则IFA准备好发挥作用。 他们每个人都在类似于Internet的网络中充当节点，通过包含不同设备的不同终端发送数据包。 今天，其中最有效的是MPC，它能够以高达6 Mbps的速度传输数据（这是目前执行星际飞行任务的记录）。 但是，过去，NASA必须以低得多的速度工作-将来，它将需要更快的数据传输速度。
像您的ISP一样，NASA允许Internet用户实时检查与航天器的连接。深空通信网
随着NASA在太空中的存在与日俱增，不断改进的消息传递系统不断出现，覆盖着越来越多的空间：首先是低地球轨道，然后是地球同步轨道和月球，不久，通信进入了太空。 这一切都始于一个粗鲁的便携式无线电，Explorer 1进行遥测，这是美国人于1958年成功发射的第一颗卫星，在尼日利亚，新加坡和加利福尼亚的美国军事基地得到了接收。 但可以肯定的是，这种基础已经慢慢发展成为当今的高级消息传递系统。
NASA行星际网络管理局战略和系统预测负责人道格拉斯·亚伯拉罕（Douglas Abraham）着重介绍了三个独立开发的网络，这些网络用于在太空传输消息。 近地网络与低地球轨道的航天器一起工作。 “这是一组天线，大多数从9到12 m。有几根大的天线在15-18 m，”亚伯拉罕说。 然后，在地球的地球同步轨道上方，有多个数据跟踪和传输卫星（TDRS）。 “他们可以俯视低地球轨道的卫星并与之通信，然后通过TDRS将这些信息传输到地面，”亚伯拉罕解释说。 “这个卫星数据系统被称为NASA的太空网络。”
但是，即使TDRS也不足以与远远超出月球轨道到达其他行星的宇宙飞船通信。 “因此，我们必须创建一个覆盖整个太阳系的网络。 这就是深空网络（DSN），”亚伯拉罕说。 火星网络是
DSN的扩展。
考虑到长度和计划，DSN是这些系统中最复杂的系统。 实际上，这是一组直径从34到70 m的大型天线。 在三个DSN站点中的每个站点上，都工作着34米长的天线和70米长的天线。 一个站点位于Goldstone（加利福尼亚），另一个站点位于马德里（西班牙）附近，第三站点在堪培拉（澳大利亚）。 这些站点在全球范围内相距约120度，为地球同步轨道外的所有太空飞船提供全天候覆盖。
34米天线是DSN的主要设备，有两种类型：高效率的旧天线和相对较新的波导。 不同之处在于，波导天线具有五个精确的射频反射镜，这些反射镜通过管道将信号反射到地下操作室，在那里可以更好地保护分析这些信号的电子设备不受所有干扰源的影响。 34米长的天线可以单独工作或以2-3个板为一组工作，可以提供大多数必需的NASA通信。 但是在特殊情况下，即使对于几根34米长的天线，距离也变得太长时，DSN控件会使用70米长的怪物。
“在某些情况下，它们起着重要作用，”亚伯拉罕谈到大型天线时说。 首先是航天器离地球太远，以致无法使用较小的板与航天器建立通信。 “很好的例子是飞行到冥王星之外的新视野任务，或者是位于太阳系外的旅行者号航天器。 亚伯拉罕说：“只有70米的天线能够穿透它们，并将其数据传送到地球。”
当航天器由于计划中的紧急情况（例如进入轨道）或因为某些事情完全出问题而无法使用放大天线时，也使用70米板。 例如，使用一根70米长的天线将阿波罗13号安全返回地球。 她还采用了尼尔·阿姆斯特朗（Neil Armstrong）的名言：“人类迈出的一小步，人类迈出了一大步”。 即使在今天，DSN仍然是世界上最先进，最敏感的通信系统。 “但是由于许多原因，她已经达到了极限，”亚伯拉罕警告。 “实际上没有任何地方可以改善在射频上运行的技术。” 简单的解决方案就此结束。”
三个地面站相距120度
堪培拉的DSN板
DSN马德里
DSN在戈德斯通
喷气推进实验室的摄影室广播，之后会发生什么
这个故事并不新鲜。 长距离空间通信的历史包括不断努力提高频率和缩短波长。 Explorer 1使用108 MHz的频率。 随后，NASA推出了增益更高的大型天线，支持L频段的1至2 GHz频率。 然后是频率从2到4 GHz的S波段转向，然后代理商切换到了7-11.2 GHz频率的X波段。
如今，空间通信系统再次发生变化-现在，它们正在向26-40 GHz频段（K频段）发展。 “这种趋势的原因是波长越短，频率越高，您可以获得的数据传输速度就越快，” Abraham说。
鉴于历史上NASA通信发展的速度一直很高，因此有乐观的理由。 喷气推进实验室2014年的一项研究提供了以下带宽数据进行比较：如果我们使用Explorer 1通信技术将典型的iPhone照片从木星传输到地球，则所需时间将比当前时代多460倍宇宙。 对于1960年代的先锋2和先锋4，这将花费633,000年。 1971年的Mariner 9可以在55小时内解决这个问题。 今天，IFA将花费三分钟来完成此操作。
当然，唯一的问题是，航天器接收的数据量的增长与传输能力的增长一样快，甚至没有增长。 在运行40年中，旅行者1和旅行者2已产生5 TB的信息。 NISAR地球科学卫星计划于2020年发射，每月将产生85 TB的数据。 如果地球的卫星能够做到这一点，那么行星之间如此大量的数据传输就完全不同了。 即使是相对较快的MRS，也将在20年内将85 TB的数据传输到地球。
“在2020年代末和2030年代初的火星探测期间，估计的数据传输速率将达到150 Mbps或更高，因此让我们计算一下，”亚伯拉罕说。 -如果距离我们到火星最大距离的MPC级航天器可以向地球上的70米天线发送大约1 Mbit / s的信号，那么将需要150根70米天线阵列以150 Mbit / s的速度建立通信。 是的，当然，我们可以提出一些巧妙的方法来稍微减少这种荒谬的数量，但是问题显然存在：以150 Mbps的速度进行星际通信的组织是一件极其复杂的事情。 此外，我们正在终止允许频率的频谱。”
正如亚伯拉罕（Abraham）演示的那样，在S或X频段工作时，带宽为25 Mbps的一项任务将占用整个可用频谱。 K射程中有更多空间，但是只有两颗带宽为150 Mbps的火星卫星将占据整个频谱。 简而言之，星际互联网将不仅需要无线电，还需要激光。
光通信的到来
激光听起来很未来主义，但是光通信的思想可以追溯到1880年代亚历山大·格雷厄姆·贝尔（Alexander Graham Bell）申请的专利。 贝尔开发了一种系统，其中将聚焦到非常窄的光束的阳光引导到由于声音而振动的反射膜片上。 振动会导致穿过透镜进入粗糙的光电探测器的光发生变化。 光电检测器电阻的变化改变了通过电话的电流。
系统不稳定，体积很小，贝尔最终放弃了这个想法。 但是，在将近100年后，装备了激光和光纤的NASA工程师又回到了这个古老的概念。
“我们知道RF系统的局限性，因此1970年代末和1980年代初的喷气推进实验室开始讨论使用太空激光器从深空传输消息的可能性，”亚伯拉罕说。 为了更好地了解深空光通信中的可能性，什么没有，实验室在1980年代后期组织了为期四年的研究，即深空中继卫星系统（DSRSS），深空中继卫星系统（DSRSS）。 该研究应该回答一些关键问题：天气和能见度问题如何解决（毕竟，无线电波很容易穿过云层，而激光不能穿过云层）？ 如果太阳地球探针的角度变得太锐角怎么办？ 地球上的探测器是否可以将微弱的光信号与阳光区分开？ 最后，这将花费多少，并且值得吗？ “我们仍在寻找这些问题的答案，”亚伯拉罕承认。 “但是，答案越来越证实了光学数据传输的可能性。”
DSRSS建议，对于光学和无线电通信，最适合位于地球大气上方的点。 据指出，安装在轨道站上的光通信系统将比包括标志性的70米天线在内的任何地面结构都更好。 有人建议在低地球轨道上部署一个10米的板块，然后将其提升到地球同步轨道。 但是，这种系统的成本太高了，该系统由带碟的卫星，发射火箭和五个用户终端组成。 此外，该研究甚至没有降低必要的辅助系统的成本，如果卫星发生故障，该辅助系统将投入运行。
作为该系统，实验室的专家开始研究在与DRSS大约同时在实验室进行的分析报告“基于地面的先进技术研究（GBATS）”中描述的地面架构。 GBATS的工作人员提出了两个替代建议。 首先是安装六个带有10米天线和一个1米备用天线的站点，它们在赤道之间彼此成60度角。 车站必须建在山峰上，一年中至少有66％的日子是晴天。 因此，任何太空飞船都会始终看到2-3个电台，而且它们的天气也会不同。 第二种选择是九个站点，三个站点分组，彼此间隔120度。 每个组中的站点应该彼此相距200 km，以便它们在直接的视线范围内，但是在不同的天气单元中。
两种GBATS架构都比空间方法便宜，但是它们也有问题。 首先，由于信号需要穿过地球的大气层，因此由于光线充足，白天的接收效果将比夜晚差很多。 尽管其位置巧妙，但地面光学站将取决于天气。 将激光引导到地面站的航天器最终将不得不适应恶劣的天气条件，并与云不会阻挡的另一个站重新建立通信。
但是，不管出现什么问题，DSRSS和GBATS项目都为远程空间通信的光学系统和NASA工程师的现代发展奠定了理论基础。 只剩下建立一个类似的系统并展示其可操作性。 幸运的是，只剩下几个月了。
项目实施
到那时，太空中的光学数据传输已经发生。 第一个实验是在1992年进行的，当时伽利略号探测器向木星进发，并将其高分辨率相机部署到地球上，以成功接收来自桌山天文台60厘米望远镜和美国空军“星火光学”望远镜1.5 m发射的一组激光脉冲范围在新墨西哥州。 此时，伽利略距离地球140万公里，但是，两个激光束都撞击了他的相机。
日本和欧洲航天局还能够在地面站和绕地球运行的卫星之间建立光通信。 然后，他们能够在两颗卫星之间以50 Mbps的速度建立连接。 几年前，德国团队在低地球轨道的NFIRE卫星与西班牙特内里费岛的地面站之间建立了5.6 Gbit / s的相干光双向通信。 但是所有这些情况都与地球轨道有关。
2013年1月，建立了第一个将地面站和航天器连接在太阳系另一行星附近的轨道的第一条光链路。 蒙娜丽莎（Mona Lisa）的黑白图像（大小为152x200像素）以300 bps的速度从位于美国宇航局戈达德太空飞行中心的下一代卫星测距激光站传输到月球侦察轨道器（LRO）。 连接是单向的。 LRO通过常规无线电通信将从地球接收的图像发送回去。 该图像需要一点软件错误校正，但是即使没有这种编码，也很容易识别。 当时，已经计划向月球发射更强大的系统。
在2013年的“月球侦察轨道飞行器”项目中：为清除地球大气层造成的传输错误信息（左），戈达德太空飞行中心的科学家应用了Reed-Solomon纠错技术（右），该技术在CD和DVD中得到了积极应用。 典型错误包括像素丢失（白色）和信号错误（黑色）。 白条表示传输中有短暂的暂停。月球大气和尘埃环境 （LADEE）的研究人员于2013年10月6日进入月球轨道，仅一周后便发射了脉冲激光进行数据传输。 这次，NASA试图以双向20 Mbps的速度和双向622 Mbps的记录速度安排双向通信。 唯一的问题是任务寿命短。 光学LRO通信仅工作了几分钟。 在30天内，LADEE用激光交换了16个小时的数据。 这种情况应该在定于2019年6月发射的示范激光通信卫星（LCRD）发射时改变，其任务是展示未来太空中的通信系统将如何工作。
LCRD是由NASA的喷气推进实验室与麻省理工学院的林肯实验室共同开发的。 他将拥有两个光学终端：一个用于在低地球轨道上通信，另一个用于深空。 首先必须使用差分相移键控（DPSK）。
发射器将发送2.88 GHz频率的激光脉冲。根据该技术，每个比特将由连续脉冲的相位差编码。它能够以2.88 Gbit / s的速度工作，但这将需要大量能量。检测器仅能在高能信号中识别脉冲之间的差异，因为DPSK可以完美地与近地通信配合使用，但这不是用于深空存储能量的最佳方法。火星发出的信号将失去能量，直到到达地球为止。因此，为了演示与深空的光通信，LCRD将使用更有效的技术-相脉冲调制。
NASA工程师准备LADEE进行测试
2017年，工程师在热真空室内测试了飞行调制解调器“本质上，它是光子计数，”亚伯拉罕解释说。 -分配给通信的短时间段分为几个时间段。要获取数据，您只需检查每个间隙中的光子是否与检测器相撞。因此，数据以“ FIM”编码。这类似于摩尔斯电码，只是超快的速度。在某一时刻是否有闪烁，并且该消息由一系列闪烁编码。 “尽管它比DPSK慢得多，但我们仍然可以在距火星一定距离处以数十或数百Mbps的速度组织光通信，”亚伯拉罕补充道。当然，LCRD项目不仅是这两个码头。它也应该作为太空中的Internet站点。 LCRD将在陆地上工作三个站点：一个在新墨西哥州的白沙，一个在加利福尼亚的桌山，另一个在夏威夷或毛伊岛。这样做的目的是在其中一个站点天气不好的情况下检查从一个地面站到另一个地面站的切换。特派团还将核实LCRD作为数据发送机的运行情况。来自一个站点的光信号将被发送到卫星，然后再通过光学通信传输到另一个站点。如果数据传输立即失败，则LCRD将存储它并在机会出现时传输它。如果数据很紧急，或者船上存储空间不足，LCRD将立即通过其K天线发送数据一个乐队。因此，未来的卫星发射机的前身LCRD将成为一种混合无线电系统。正是这种NASA单位需要放置在火星周围的轨道上，以组织一个支持2030年代人类进行深空探测的行星际网络。使火星在线
在过去的一年中，亚伯拉罕团队撰写了两篇描述长距离太空通信的未来的著作，这些作品将在2019年5月于法国举行的SpaceOps会议上发表。一份描述了一般的长距离太空通信，另一份描述了人类探索时代的火星际网络-潜在问题和解决方案 ”），详细介绍了可以为“红色星球”上的宇航员提供类似于Internet的服务的基础结构。在215 Mbit / s的下载区域和28 Mbit / s的下载区域获得了峰值平均数据传输速率的估计值。火星互联网将由三个网络组成：覆盖地面研究领域的WiFi，一个将数据从地面传输到地球的行星网络以及地球网络，一个具有三个站点的太空通信网络，负责负责接收这些数据并将响应发送回火星。“开发这样的基础架构存在很多问题。即使在距火星的最大距离为2.67 AU的情况下，它也必须可靠且稳定。亚伯拉罕说：“在上太阳交会期间，当火星躲在太阳后面时”。这种联系每两年发生一次，并完全中断与火星的交流。 “今天，我无法应付。火星上的所有着陆站和轨道站仅失去与地球的接触约两个星期。使用光通信，由于太阳能连接造成的通信损失将更长，从10周到15周。”对于机器人而言，这种差距并不是特别可怕。这样的孤立不会给他们带来麻烦，因为他们不会开始感到无聊，不会感到孤独，也不需要去见亲人。但是对于人们来说，这是完全错误的。« , 17300 », — . , 1500 , , X-, K
a -, , 20-30 . , (Delay Tolerant Network Protocol) – , TCP/IP, , . , .
“这种串扰非常重要，因为它减少了以250 Mbps组织数据传输所需的天线数量，” Abraham说。他的团队估计，要以250 Mbit / s的速度接收来自其中一个轨道发射机的数据，将需要六个6米长34米的天线阵列。这意味着美国宇航局将需要在长距离太空通信的地点建造三根额外的天线，但是它们的建造需要花费数年的时间，而且非常昂贵。 “但是，我们认为两个轨道站可以彼此共享数据，并以125 Mbit / s的速度同时发送数据，这时一个发送器将发送一半的数据包，另一半将发送”，亚伯拉罕说。即使在今天，34米长距离太空通信天线也可以同时从四个不同的太空飞船同时接收数据，结果将需要三个天线来完成任务。 “要从同一天空以125 Mbit / s的速度接收两个传输，您需要与接收一个传输一样多的天线，” Abraham解释说。 “仅当您需要以更高的速度建立通信时，才需要更多的天线。”为了解决太阳能连接问题，亚伯拉罕小组建议在太阳-火星/太阳-地球轨道的L4 / L5点发射卫星发射器。然后在连接期间，它可以用于在太阳周围传输数据，而不是通过它发送信号。不幸的是，在此期间，速度将降至100 Kbps。简而言之，它可以工作，但是不好。同时，未来在火星上的宇航员将不得不等待三分钟多一点才能得到小猫的照片，这还不算拖延时间，这可能长达40分钟。幸运的是，直到人类的野心驱使我们发展到比“红色星球”还要远的时候，星际互联网在大多数时候都将运转良好。