通过激光给家里打电话
随着NASA做出重返并常驻月球的严肃决定，人们自然想知道，已经习惯了使用无处不在的高速互联网的人们，在到达月球后，是否需要重新习惯令人意识麻木的慢速网络。今天，绝大多数卫星和宇宙飞船的数据传输速率都能达到每秒几千比特。但在月球长期居住的居民可能就会对有限的带宽感到不满意，例如，阿波罗宇航员使用的网络带宽就很小。
为满足高清视频和数据密集型科学研究的需要，NASA及其他空间机构正在努力让空间研究中使用的传统无线电频带的作用发挥到极致。例如，“猎户座”宇宙飞船将在2022年执行NASA“阿耳特弥斯2号”（Artemis 2）任务期间载着宇航员环绕月球，并使用S波段无线电以50兆比特/秒的速度将关键任务信息传输给地球。“这是宇宙飞船上配备的最复杂的飞行管理系统。”NASA空间通信和导航项目的首席架构师吉姆•希尔（Jim Schier）说。为本任务视频流分配的无线电速度将仅为1兆比特/秒。这一速度大约是网飞公司传输高清电影所需速度的1/5。
提高数据传输速率意味着突破无线电的速度限制，并开发使用激光进行太空数据传输的光通信系统。除了S波段无线电，“猎户座”飞船还将配备激光通信系统，用于将超高清4K视频传回地球。此外，NASA的“门户”还将建立一个长期的激光通信中心，实现地球及其卫星的链接。
要实现激光通信并非易事。宇宙飞船的轻微颠簸就会导致激光束严重偏离，飘过的云彩也可使其中断。但激光通信一旦实现，那么借助光通信的稳健性，未来任务中的软件更新几分钟内就能完成，而不再需要几天的时间。宇航员在太空中工作时也能与外界取得联系，缓解孤独感，而且科学界将可以在地球与月球之间进行前所未有的数据流传输。
如今，各空间机构喜欢使用S波段（2～4千兆赫）和Ka波段（26.5～40千兆赫）的无线电进行宇宙飞船和指挥中心之间的通信，同时通过机载无线电将过程信息、环境状况以及来自诸多航天系统的数据传回指挥中心。Ka波段非常珍贵，NASA负责监督无线电和光学技术开发的唐•康维尔（Don Cornwell）将其称为“无线频率中的凯迪拉克”，因为其传输速度可高达每秒几千兆比特，而且在空间中的传播性能非常好。
任何宇宙飞船的数据传输能力都会受到电磁频谱某些不可避免的物理特性的限制。举例来说，无线电频谱是有限的，用于空间通信的珍贵波段在商业应用中同样珍贵。蓝牙和无线局域网使用的是S波段，5G蜂窝网络使用的是Ka波段。
第二个大问题是无线电信号在真空中会发生分散。当Ka波段信号从月球到达地球时，其分散面积的直径大概为2000千米，差不多等于整个印度的国土面积。这样一来，信号就会变得较弱，解决方法要么是在地球接收方安装敏感的接收器，要么是在月球发射方安装强大的无线电发射机。
激光通信系统也存在分散问题，光束交叉会导致数据混乱。不过，从月球发射出来的激光束，到达地球时分散面积的直径为6千米。这说明，两个激光束发生交叉的可能性较小，激光束不会与本已拥挤的其他频谱发生冲突。康维尔说，利用激光几乎可以传输无限量的数据。“光学频谱是不受限制的。激光束非常狭窄，不同激光束之间几乎不可能相互干扰。”
频率较高也就意味着波长较短，由此产生的益处也更多。Ka波段的信号波长为7.5毫米至1厘米，但是，NASA计划使用波长为1550纳米的激光，与地球上光纤网络所用的波长相同。事实上，空间激光通信的很大一部分发展都是以现有光纤工程为基础的。波长较短（频率较高）意味着每秒可传输的数据量更多。
多年前，人们就已经了解了激光通信的优势，但是直到近年来，工程师们才构建出了超越无线电的系统。例如，2013年，NASA的月球激光通信演示证明，光信号确实可以将信息从月球轨道传回地球。NASA进行了为期一个月的实验，在月球大气与尘埃环境探测器（Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer）上安装了一个发射机，以622兆比特/秒的速度将数据传回地球，这一速度相当于“猎户座”飞船所用S波段速度的十多倍。
“对于‘猎户座’飞船将携带S波段无线电返回月球，我感到非常震惊。”马萨诸塞州列克星敦市麻省理工学院林肯实验室的光通信专家布莱恩•鲁滨逊（Bryan Robinson）说。林肯实验室在NASA诸多激光通信系统的开发中发挥了重要作用，其开发工作始于2001年GeoLITE类卫星的早期光通信演示。“人类已经习惯了地球和近地轨道的通信方式。我很高兴他们能幡然醒悟并在这项任务中加入激光通信系统。”
作为对S波段无线电通信的补充，在执行阿耳特弥斯2号任务期间，“猎户座”飞船将携带一个名为“猎户座光学”（O2O）的激光系统。NASA不打算将O2O用于关键任务的通信。该系统的主要任务是将月球的超高清视频传回地球，供好奇的公众观看。在月球轨道上，O2O将以80兆比特/秒的速度接收数据，以20兆比特/秒的速度进行数据传输。为什么O2O的数据传输速度只有20兆比特/秒，而6年前的演示项目中数据传输速度却能达到622兆比特/秒？原因很简单，因为“猎户座”开发人员“从未要求我们将速度提高至622兆比特/秒”，肯实验室光学通信团队的法尔扎纳•卡特里（Farzana Khatri）说。康维尔证实说，O2O的下行传输速度至少为80兆比特/秒，但该系统能够达到更高的数据传输速率。
如果能够成功，O2O将开启未来载人航天任务中大数据通信的大门，宇航员将能够和家人视频聊天、咨询私人医生，甚至是在休息时观看现场直播的体育赛事。人们在月球上停留的时间越长，这些网络连接对他们的精神健康就越重要。最终，拍摄视频将成为深空探测宇航员的关键任务。
在对O2O进行太空测试之前，它首先必须完成这次旅程。安装在宇宙飞船上的激光系统使用望远镜来发送和接收信号。这些望远镜需要精准地安放一系列反光镜以及其他移动部件。O2O的望远镜将采用离轴卡塞格伦望远镜设计，这种望远镜有两面反光镜，安装在旋转框架内以聚焦捕获的光线。林肯实验室的研究人员之所以选择这种设计，是因为它可以将望远镜与光收发机分离，使整个系统更模块化。工程师们必须确保运载“猎户座”飞船的太空发射系统火箭不会将整个精准摆放的阵列振乱。林肯实验室的研究人员已开发出挂钩和底座，希望能够降低动荡发射过程中的振动，使一切都完好无损。
一旦O2O到达太空，就必须精确地对准它。如果无线电信号的横截面积相当于一个大国的国土面积，那么就不容易错过接收器。直径为6千米的信号却可能因为宇宙飞船的轻微颠簸而无法发射到地球上。“如果在紧张得手抖时使用激光笔，激光笔的光点就会到处跑。”康维尔说。
“猎户座”飞船的机载设备也将产生持续的微小振动，其中任何一种振动都足以使光学信号偏离轨道。因此，NASA和林肯实验室的工程师们会把光学系统固定在一个抗振平台上。该平台会对宇宙飞船的振动强度进行测量，并以相反的振动模式将其抵消，“就像抗噪耳机那样。”康维尔说。
信号返回地球时需要穿越地球外围的云层，这是O2O需要克服的最后一个障碍。O2O使用的1550纳米红外线波长，很容易被云层吸收。在没有阻碍的情况下，激光束可传播约40万千米，只会受到地球表面云层的阻隔。如今，防止信号在穿越层积云时丢失的最佳方式是将信号定向传输给多个接收器。以O2O为例，它将使用位于加州桌山和新墨西哥州白沙的地面卫星接收站。
“门户”空间站计划于本世纪20年代建成，它将为高速空间激光通信的实现提供更大的机会。NASA将在加拿大、欧洲、日本及俄罗斯同行的帮助下，在月球轨道上建设该空间站；该空间站将作为月球探测行动的集结待命区和通信中继站。
NASA的希尔猜测，在“门户”空间站进行的研究和技术演示每秒将产生5～8千兆比特/秒需要传回地球的数据。这一数据传输速度将令太空中现有的一切传输速度相形见绌——国际空间站（ISS）向地球发送数据的速度为25兆比特/秒。“（5～8千兆比特/秒）的意思就是，如果你将所有数据传到（国际空间站），那么2秒后，缓冲区还没加载完成，你就可以运行这些数据了。”希尔说。
“门户”为地球和月球之间永久光学干线的建设提供了契机。NASA希望利用“门户”将其定位、导航和定时信息传输给月球表面的车辆。“手机如果要正常工作，需要4个全球定位通信卫星同时运行。”希尔说，“而月球上不具备这种条件。”不过，来自“门户”的单波束可以为月球探测车提供准确的距离、方位和定时等相关数据，使其能够确定自身在月球表面的确切位置。
此外，使用光通信也可以为科学研究释放足够的无线电频谱。鲁滨逊指出，月球背面是架设无线电天文望远镜的最佳位置，因为此处可以屏蔽来自地球的颤动。如果月球上所有的通信系统都采用光通信，他说，那就没有什么能阻断观察结果的传输了。
除此之外，科学家和工程师们仍然不确定自己还能怎样挖掘“门户”的潜在数据传输速度。“还有很多事情可以做，我们仍在学习。”康维尔说。
未来几年将会有其他任务来测试激光通信在外太空中能否良好运行。例如，NASA对小行星“灵神星”的勘探任务将有助于确定光通信系统的精确度，以及在不毁坏信号传输望远镜的前提下确定激光的传输性能。不过言归正传，在月球上工作和生活所需的通信只能通过激光实现。幸运的是，激光通信的前景看起来一片明朗。
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