通信用户终端为历史性飞越月球做好准备

在美国国家航空航天局的“猎户座”飞船上，该终端将在自1972年以来首次载人登月任务中通过激光链路传输数据。

1969年，阿波罗11号宇航员尼尔·阿姆斯特朗踏上了月球表面。他的标志性话语“这是人类的一小步，人类的一大步”标志着这一重大的工程和科学壮举。三年后，阿波罗17号成为美国国家航空航天局的最后一次阿波罗任务，人类登上了夜空中最亮、最大的天体。从那以后，主要由于政治、资金和优先事项的变化，人类再也没有访问过月球，也没有飞越过低地球轨道（LEO）。

但这种情况即将改变。美国国家航空航天局的阿特米斯二号任务计划于2025年9月发射，通过这次任务，四名宇航员将成为50多年来第一批前往月球的人类。2022年，无人驾驶的 “阿耳特弥斯一号”任务证明了美国国家航空航天局的新型航天器“猎户座”——由新型重型火箭“太空发射系统”发射——能够比以往任何时候都更深入太空并安全返回地球。

在这一成功的基础上，为期10天的阿耳特弥斯二号任务将为阿耳特弥斯三号铺平道路，阿耳特弥斯三号的目标是让宇航员在月球表面着陆，目的是建立未来人类在月球上的持久存在，并为人类火星任务做好准备。

激光通信的一大步

阿耳特弥斯二号将具有历史意义，不仅因为它将重启人类对地球以外的探索，还因为它是首次展示激光通信（lasercom）技术的载人月球飞行，而激光通信技术将彻底改变航天器的通信方式。二十多年来，麻省理工学院林肯实验室的研究人员一直在开发这种技术，美国国家航空航天局也一直在将这种技术注入其任务中，以满足远距离和数据密集型太空探索日益增长的需求。

随着航天器深入深空，先进的科学仪器收集4K视频和图像等超高清（HD）数据，任务需要更好的方法将数据传回地球。将数据编码到红外激光而不是无线电波上的通信系统，可以一次性发送更多信息，而且封装更紧凑，运行时耗电量更低。更大的数据量有助于更多的发现，而尺寸和能效则为科学仪器或乘员提供了更大的空间，降低了发射成本，并延长了航天器电池的使用寿命。

对于阿耳特弥斯二号，猎户座阿耳特弥斯二号光通信系统（O2O）将向地球发送高分辨率的月球表面视频和图像。这与阿波罗计划中模糊不清、颗粒状的镜头，形成了鲜明对比。此外，光通信系统还将发送和接收程序、数据文件、飞行计划、语音呼叫和其他通信，成为猎户座上的宇航员与地球上的任务控制中心之间的高速数据管道。

在肯尼迪航天中心，林肯实验室的工作人员Justin Dunbeck（左）和Steven Constantine（中）拆开并检查美国宇航局阿特米斯二号登月任务的光通信系统有效载荷

光通信系统将通过激光以高达每秒260兆比特（Mbps）的速度，将信息传送到位于美国国家航空航天局两个地点之一的地面光学站：位于新墨西哥州拉斯克鲁塞斯的白沙测试设施或位于加利福尼亚州赖特伍德的喷气推进实验室桌山设施。这两个地点都是理想之地，因为它们的云层覆盖极少，而云层会阻碍激光信号进入地球大气层。

光通信系统的核心是林肯实验室开发的模块化、敏捷、可扩展光学终端（MAScOT）。MAScOT 约有一只家猫大小，配备一个安装在双轴旋转支架（万向节）上的4英寸望远镜和固定的后端光学器件。万向节可以精确地将望远镜指向所需数据接收方或发送方的方向，并跟踪发射和接收通信信号的激光束。在万向节的下方，有一个单独的组件，即后端光学器件，其中包含光聚焦透镜、跟踪传感器、快速转向镜和其他组件，用于精确定位激光束。

一系列创举

MAScOT作为实验室集成激光通信中继演示（LCRD）低地轨道用户调制解调器和放大器终端（ILLUMA-T）的一部分，首次亮相太空。该终端于2023年11月发射到国际空间站。经过几周的初步测试后，ILLUMA-T将其第一束激光传送到了距离地球表面22000英里的地球同步轨道上的NASA LCRD卫星。实现这一被称为“第一束光”的关键步骤，需要在移动的航天器之间对激光束进行精确的指向、采集和跟踪。

在随后的六个月中，实验室团队进行了实验，以测试和鉴定该系统的基本功能、性能以及对人类机组人员和用户应用的实用性。首先，实验小组检查了ILLUMA-T至LCRD光链路是否以预期的数据传输速率双向运行：下行速率为622Mbps，上行速率为51Mbps。事实上，实现了更高的数据传输速率：下行速率为每秒1.2千兆比特，上行速率为每秒155兆比特。

实验室光与量子通信组组长Bryan Robinson说：这是首次演示双向、端到端激光通信中继系统，其中ILLUMA-T是LCRD的首个低地轨道用户，对于美国国家航空航天局和其他太空组织来说是一个重要的里程碑。它是月球和火星光学中继的先驱。

中继器启动并运行后，团队评估了激光发射功率、光波长和相对太阳角度等参数对终端性能的影响。最后，他们利用美国国家航空航天局的延迟/中断容限网络协议，通过多个节点往返于国际空间站，为多项网络实验做出了贡献。

激光通信的优势，更高效、更轻便的系统、更高的安全性和更灵活的地面系统

其中一个具有里程碑意义的实验，是将4K视频流从一架飞越俄亥俄州伊利湖的飞机串流到附近克利夫兰的NASA格伦研究中心，再串流到新墨西哥州的NASA白沙测试设施，再串流到地球同步轨道上的LCRD，最后串流到国际空间站上的ILLUMA-T，然后再返回。2024年6月，ILLUMA-T与LCRD进行最后一次通信，然后断电。

“我们在ILLUMA-T上取得的成功，为在月球上传输高清视频流奠定了基础，”共同首席研究员、光学和量子通信小组副组长Jade Wang说，“你可以想象阿耳特弥斯号宇航员使用视频会议与医生联系、协调任务活动以及直播他们的月球之旅。”

登月准备

阿耳特弥斯二号O2O任务将采用在ILLUMA-T上得到验证的MAScOT整体设计。林肯实验室将有效载荷运送到美国宇航局肯尼迪航天中心，以便于2023年7月在猎户座飞船上进行安装和测试。

“向政府转让技术是林肯实验室作为联邦政府资助的研发中心的职责所在，”首席系统工程师、光学与量子通信组高级职员Farzana Khatri解释说，“我们不仅转让技术，还与转让伙伴合作以确保成功。为了做好O2O的准备工作，我们正在利用ILLUMA-T运行期间吸取的经验教训。最近，我们进行了任务前模拟运行，以加强各相关团队之间的协调。”

2024年8月，实验室完成了O2O光学终端的一个重要里程碑：任务就绪测试。测试包括三个阶段。在第一阶段，他们验证了终端的指挥和遥测功能。实验室开发的地面软件直接用于指挥和控制ILLUMA-T，而对于O2O，该软件将在后台运行，所有命令和遥测将通过约翰逊航天中心任务控制中心开发的软件进行连接。

在第二阶段，团队测试了不同的用户应用，包括激活猎户座的一些高清摄像头，从卡纳维拉尔角向约翰逊航天中心发送视频，作为实际空间链接的模拟。他们还在宇航员的个人计算设备上运行文件传输、视频会议和其他操作。在第三阶段，他们模拟了有效载荷的调试活动，例如打开光学硬件上的闩锁和移动万向节，以及进行地面终端操作。

Khatri说：对于O2O，我们希望证明这种光链路是有效的，对宇航员和任务是有帮助的。“猎户座”飞船在执行任务的第一天就会收集大量数据，这些数据通常会留在飞船上，直到飞船着陆，需要几个月的时间才能卸载。有了以最高速率运行的光链路，我们应该能在几小时内将数据传回地球，以便立即进行分析。此外，宇航员可以在旅途中与地球保持联系，激励公众和下一代深空探索者，就像55年前首次登陆月球的阿波罗11号宇航员一样。

O2O由位于华盛顿的NASA总部的太空通信与导航计划资助。O2O由来自NASA戈达德太空飞行中心和林肯实验室的工程师团队开发。这一合作促成了多项激光通信任务，如2013年的月球激光通信演示、2021年的LCRD、2022年的TeraByte红外传输和2023年的ILLUMA-T。

作者：Ariana Tantillo（麻省理工学院林肯实验室）

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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