今天的通信基礎(chǔ)設(shè)施無法滿足未來火星居民的需求。圖片來源：美國《科學(xué)新聞》網(wǎng)站
科技日?qǐng)?bào)記者?張佳欣
也許幾十年后，當(dāng)宇航員登陸火星時(shí)，他們需要新的聯(lián)系方式，無論是彼此之間的交流，還是與周圍設(shè)備的聯(lián)系，或是與地球任務(wù)控制中心進(jìn)行通信。遙遠(yuǎn)星球上的宇航員更希望能與地球上的親人進(jìn)行視頻聊天，通話質(zhì)量清晰且無延遲。
但是，在火星連接地球上的WiFi似乎是不可能的，因?yàn)榈厍蚓嚯x火星實(shí)在是太遙遠(yuǎn)了。人們或許需要另一種策略。歐洲空間局（ESA）系統(tǒng)工程師克萊爾·帕菲特表示，建立良好的通信基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)于人類完成火星任務(wù)至關(guān)重要。
太空旅行的未來發(fā)展必然伴隨著更好的通信方式的出現(xiàn)。那么，火星上可能有互聯(lián)網(wǎng)嗎？
“精心編排的舞蹈”連接地火通信
國際宇航聯(lián)空間運(yùn)輸委員會(huì)副主席楊宇光在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)表示，人類在本世紀(jì)是不可能殖民火星的，但有必要在這里建立永久駐留基地?；谶@一前提，才要在火星上建立互聯(lián)網(wǎng)。
不過，在人們搭建火星互聯(lián)網(wǎng)之前，首先要了解火星上現(xiàn)有的通信方式是如何運(yùn)作的。
據(jù)美國《科學(xué)新聞》雜志網(wǎng)站介紹，地球與火星的許多通信都是通過火星中繼網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的。目前，在火星軌道上運(yùn)行的5個(gè)探測(cè)器組成了這個(gè)網(wǎng)絡(luò)，它向火星地面任務(wù)發(fā)送指令，并從它們那里接收科學(xué)數(shù)據(jù)。這5個(gè)探測(cè)器是美國國家航空航天局（NASA）的火星勘測(cè)軌道飛行器、火星大氣與揮發(fā)物演化探測(cè)器、火星奧德賽探測(cè)器和ESA的火星快車和微量氣體軌道飛行器。NASA將其描述為“一支精心編排的舞蹈”。
ESA目前正在探討“火星通信和導(dǎo)航基礎(chǔ)設(shè)施”概念。如果繼續(xù)推進(jìn)，該項(xiàng)目將強(qiáng)化目前的中繼網(wǎng)絡(luò)，并開發(fā)一套與通信和導(dǎo)航相關(guān)的有效載荷，可搭載在任何前往火星的飛行器上。一旦部署到軌道上，這些有效載荷將充當(dāng)節(jié)點(diǎn)，在火星上提供無線通信。它們也可留在那里，供未來的任務(wù)使用。
太空激光通信是關(guān)鍵技術(shù)
雖然傳統(tǒng)的無線電頻率足以滿足低數(shù)據(jù)速率，但使用激光鏈路可在同一時(shí)間幀內(nèi)傳輸10到100倍的數(shù)據(jù)。由于光波的頻率更高，是無線電波的數(shù)十萬倍，可容納更多的信息。因此，這種類型的光信號(hào)正是空間通信的發(fā)展方向。
“激光通信是太空寬帶所需的關(guān)鍵技術(shù)?！睏钣罟饨榻B說，“激光通信是一種利用激光光束進(jìn)行信息傳輸?shù)耐ㄐ偶夹g(shù)，屬于電磁波的一種。相對(duì)于傳統(tǒng)的無線電波通信，激光通信具有許多優(yōu)勢(shì)。”
具體而言，激光通信的光波短，具有很高的頻率，因此能實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。激光通信也能將光的能量高度集中在一個(gè)小的空間范圍內(nèi)，通信時(shí)所需的能量相對(duì)較低，有助于降低通信系統(tǒng)的能耗。激光束發(fā)散角小，使通信信號(hào)能更準(zhǔn)確地傳輸?shù)侥繕?biāo)地點(diǎn)。此外，相對(duì)于無線電波，激光通信在大氣層以外的真空環(huán)境中受到的干擾較少，表現(xiàn)更為穩(wěn)定。
NASA的“普賽克”號(hào)航天器于去年10月升空，其中一個(gè)重要任務(wù)就是引入深空光通信（DSOC）系統(tǒng)，測(cè)試激光通信的可行性。DSOC不僅代表著深空通信能力的增強(qiáng)，而且代表著范式的轉(zhuǎn)變，有望徹底改變深空任務(wù)。
去年11月中旬，“普賽克”號(hào)航天器從1600萬公里的距離向地球發(fā)送了數(shù)據(jù)。12月，它從3100萬公里外發(fā)送了一段可愛貓咪的視頻。這是NASA首次使用激光從深空傳輸視頻。
ESA也在探索長距離光通信。一項(xiàng)名為ScyLight的項(xiàng)目正在支持光學(xué)和量子技術(shù)的研究和開發(fā)，以實(shí)現(xiàn)安全、快速的太空數(shù)據(jù)通信。
搭建火星互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)想
楊宇光向記者描述了其構(gòu)想：未來，如果想在火星上網(wǎng)，那么應(yīng)該在地球軌道和火星軌道上分別設(shè)有一個(gè)大型中繼站。兩個(gè)中繼站之間可使用激光通信，而中繼站與地球和火星之間則分別使用無線電通信。
楊宇光表示，當(dāng)太陽運(yùn)行到地球和火星之間時(shí)，由于太陽的電磁波譜很寬，必然會(huì)對(duì)地火通信產(chǎn)生干擾。屆時(shí)，在日地拉格朗日L4、L5點(diǎn)設(shè)置兩個(gè)中繼站，可規(guī)避太陽遮擋的問題。
去年6月，德國柏林工業(yè)大學(xué)的托比亞斯·普范策爾特和大衛(wèi)·貝姆巴赫提出，圍繞火星運(yùn)行的衛(wèi)星群可為這顆紅色星球提供分支互聯(lián)網(wǎng)。
擬議中的火星網(wǎng)絡(luò)將類似于太空探索技術(shù)公司（SpaceX）運(yùn)營的“星鏈”系統(tǒng)。在地球上，通過衛(wèi)星覆蓋寬帶互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)電話的成本很高。但在火星上，這樣的系統(tǒng)可能比在地球上建立一個(gè)龐大的網(wǎng)絡(luò)更便宜、更容易。
普范策爾特和貝姆巴赫利用邊緣計(jì)算推導(dǎo)出，由81顆圍繞火星的低軌衛(wèi)星組成的星座足以覆蓋整個(gè)火星。它們將提供一個(gè)本地通信系統(tǒng)，成為地球互聯(lián)網(wǎng)的延伸。
