Zusammenfassung:
In der Vergangenheit musste das Bodenpersonal vier bis fünf Minuten warten, bis ein 8K-Ultra-High-Definition-Panoramafoto des Mondes aus der Mondumlaufbahn zurückgesendet wurde. Heute kann das gleiche Foto in etwa 12 Sekunden versendet werden. Diese Änderung wurde durch den kürzlich abgeschlossenen Zwei-Wege-Hochgeschwindigkeits-Laserkommunikationstest zwischen Erde und Mond herbeigeführt. Dieser Test stellte eine stabile und schnelle Laserverbindung zwischen der Erde und dem Mond in einer Entfernung von 400.000 Kilometern her, was dem Aufbau einer „Informationsautobahn“ zwischen der Erde und dem Mond gleichkommt.
Schematische Darstellung der Zwei-Wege-Laserkommunikation auf der Erde-Mond-Skala. Bildquelle: Space Application Engineering and Technology Center, Chinesische Akademie der Wissenschaften
Was sind die Vorteile der cis-lunaren Laserkommunikation? Welche technischen Schwierigkeiten müssen überwunden werden, um eine bidirektionale Laserkommunikation zwischen der Erde und dem Mond zu erreichen? Welche Änderungen werden folgen? Um sich auf diese Themen zu konzentrieren, interviewten Reporter von Science and Technology Daily am 1. September relevante Experten.
Erste Frage: Was sind die Vorteile der Laserkommunikation zwischen Erde und Mond?
Die traditionelle Hochfrequenzkommunikation basiert auf Radiowellen, während die Laserkommunikation die Lichtwellenübertragung nutzt, die im Prinzip eher der Glasfaserbreitbandübertragung ähnelt. Die größten Vorteile der Laserkommunikation sind die große Bandbreite und die hohe Geschwindigkeit. Wenn die auf dem Satelliten installierte Ausrüstung in Größe, Gewicht und Stromverbrauch ähnlich ist, kann die Geschwindigkeit der Laserkommunikation 10 bis 100 Mal schneller sein als bei herkömmlicher Mikrowellenkommunikation.
„Radiofrequenz ist wie eine gewöhnliche Autobahn mit begrenzten Fahrspuren und leichtem Verkehr; Laser ist wie eine mehrspurige Autobahn, die eine viel größere Datenmenge gleichzeitig übertragen kann.“ Yang Lei, Forscher am Zentrum für Raumfahrtanwendungstechnik und -technologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, erklärte, dass es bei der Entfernung zwischen Erde und Mond mit der herkömmlichen Funkfrequenzkommunikation sehr schwierig ist, hochauflösende Videos oder umfangreiche wissenschaftliche Daten zu übertragen, während Laserkommunikation diese Aufgabe problemlos erfüllen kann.
Ein weiterer Vorteil der Laserkommunikation besteht darin, dass Geheimnisse nicht so leicht preisgegeben werden können. Der Laserstrahl ist besonders konzentriert und „strahlt“ nicht wie Radiowellen herum. Die Energie breitet sich nicht überall aus, was es für andere schwierig macht, das Signal auf halber Strecke abzufangen. „Laser ist wie eine Taschenlampe, die strahlt, wo immer sie scheint. Mikrowellen sind eher wie eine Lautsprecherübertragung mit großer Reichweite, aber jeder kann sie hören.“ Sagte Yang Lei lebhaft.
Zweite Frage: Welche Probleme müssen bei 400.000 Kilometern bidirektionaler Laserkommunikation überwunden werden?
400.000 Kilometer entsprechen einer zehnmaligen Umrundung des Erdäquators und es dauert mehr als 1 Sekunde, bis Licht vom Mond zur Erde gelangt. Um eine bidirektionale Laserkommunikation über eine so große Entfernung zu erreichen, müssen wir drei Hürden überwinden: schwaches Signal, Schwierigkeiten beim Zielen und langsame Übertragung.
Obwohl der Laserstrahl in eine Richtung konzentriert ist, breitet er sich nach 400.000 Kilometern immer noch stark aus. Wenn es das Bodenteleskop erreicht, verfügt es möglicherweise nur noch über einen kleinen Teil dessen, was es beim Start war, und es wird sehr schwach. Das Bodenempfangsende muss einen hochempfindlichen Detektor verwenden, um die schwachen Photonen anhand des Hintergrundrauschens zu „erkennen“. „Zu diesem Zweck haben wir ein supraleitendes Nanodraht-Einzelphotonen-Detektorarray gebaut. Es ist wie ein hochempfindliches „Auge“, das Photonen einfangen kann. Es hat sehr wenig Rauschen und reagiert sehr schnell. In Verbindung mit einem selbst entwickelten Signalverarbeitungsalgorithmus kann es aus vielen Störungen „herausgefischt“ werden, selbst wenn das Signal so schwach ist, dass es fast im Rauschen „übertönt“ wird.“ Sagte Yang Lei.
Gleichzeitig ist der Laserstrahl sehr schmal, Erde und Mond sind ständig in Bewegung und auch die Satellitenplattform selbst vibriert leicht. Bodenstationen und Satelliten müssen immer präzise ausgerichtet sein; Wenn sie auch nur geringfügig abweichen, ist die Verbindung möglicherweise unterbrochen. Yang Lei machte einen Vergleich: „Das ist gleichbedeutend damit, einen Laserstrahl aus Peking auf einen kleinen beweglichen Punkt auf dem Mond zu richten und ihn festzuhalten.“
Bildquelle: Visual China
Um dieses Problem zu lösen, entwickelte das Forschungsteam mehrere Möglichkeiten: Erstens, die Umlaufbahn des Satelliten genau zu berechnen und die Position im Voraus vorherzusagen, damit die Teleskope auf beiden Seiten wissen, wohin sie zeigen müssen, und das Ziel nicht verfehlen; Zweitens bündelt die Bodenstation mehrere Laserstrahlen zu einem und sendet sie aus. , und korrigieren Sie dann die Richtung in Echtzeit entsprechend Änderungen der Temperatur und des Höhenwinkels, um eine stabile Landung auf dem Satelliten zu gewährleisten; Drittens wird sowohl am Sende- als auch am Empfangsende eine starke optische Isolierung vorgenommen, um zu verhindern, dass der emittierte starke Laser den Detektor blendet, sodass sich der gleichzeitige Empfang und Empfang von Lichtsignalen nicht gegenseitig stört.
Das Signal wurde empfangen und die Übertragungsgeschwindigkeit muss mithalten. Die Schwierigkeit besteht darin, dass diese Photonen nicht in einer regelmäßigen Warteschlange auftreten, sondern spärlich und intermittierend sind. Um sie zu vollständigen Informationen zusammenzufügen, muss die Zeit sehr genau sein, auf die Pikosekunde genau. Was ist das Konzept der Pikosekunde? Eine Billionstel Sekunde, was unzählige Male kürzer ist als die Zeit, die Sie zum Blinzeln benötigen. Das Team hat speziell eine Technologie zur Zeiterkennung auf Pikosekundenebene und zur Kommunikationsverarbeitung mit großer Bandbreite entwickelt, die der Zuweisung eines äußerst genauen „Zeitstempels“ zu jedem Photon entspricht, sodass sie nahtlos und ohne Chaos zusammengesetzt werden können.
Frage 3: Wie wird diese Technologie zukünftige Monderkundungen und Weltraummissionen unterstützen?
„In Zukunft werden wir eine internationale wissenschaftliche Mondforschungsstation bauen und darauf verschiedene wissenschaftliche Experimente (Tests) durchführen. Diese wissenschaftlichen Experimente (Tests) werden riesige Datenmengen erzeugen. Die Art und Weise, wie die Daten zurück zur Erde übertragen werden können, war schon immer ein Kommunikationsengpass, der den Fortschritt der wissenschaftlichen Forschung einschränkt. Dieser technologische Durchbruch ist von großer Bedeutung, um den Engpass zu überwinden.“ sagte Wang Qiang, stellvertretender Direktor des Zentrums für Raumfahrtanwendungstechnik und -technologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften.
Noch wichtiger ist, dass die Entfernung zwischen der Erde und dem Mond nur der Ausgangspunkt ist. Yang Lei sagte, dass die dieses Mal verifizierten Technologien wie hochpräzise Verfolgung, Erkennung schwacher Signale und Hochgeschwindigkeits-Einzelphotonensignalverarbeitung weiter auf den Mars, Asteroiden und noch weitere Weltraummissionen ausgeweitet werden können und die Weltraumforschung meines Landes effektiv unterstützen werden, um originellere wissenschaftliche Ergebnisse zu erzielen.
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