2026年4月1日，SLS火箭從肯尼迪航天中心39B發(fā)射臺升空，將獵戶座飛船及四名宇航員送往月球方向。這次飛行不只是對火箭和飛船的考驗——在獵戶座飛向月球的10天里，一套全新的通信系統(tǒng)也在經(jīng)歷它的首次深空實戰(zhàn)：獵戶座光學(xué)通信系統(tǒng)（Orion Artemis II Optical Communications System），簡稱O2O。

獵戶座阿爾忒彌斯II光通信系統(tǒng)

via. NASA

這篇文章來聊聊獵戶座飛船上這套用激光和地球通信的核心系統(tǒng)。它為什么被裝上飛船？怎么做到在40萬公里外向地球傳回高清視頻？它對深空探測意味著什么？

深空通信的老問題：數(shù)據(jù)下不來

要理解O2O的價值，先要理解一個困擾深空任務(wù)幾十年的瓶頸：數(shù)據(jù)傳輸速率太低。

DSN大型天線分布圖

via. NASA

自阿波羅時代以來，人類與深空航天器之間的通信幾乎完全依賴無線電波——S頻段、X頻段、Ka頻段。NASA的深空網(wǎng)絡(luò)（DSN）由分布在美國戈德斯通、西班牙馬德里和澳大利亞堪培拉的三處大型天線陣列組成，配備34米和70米口徑的巨型拋物面天線，負(fù)責(zé)對太陽系內(nèi)超過40個航天器進(jìn)行全天候跟蹤和通信。這套系統(tǒng)支撐了半個世紀(jì)的深空探測，但它的帶寬已經(jīng)高度飽和。

阿爾忒彌斯II任務(wù)讓這個問題變得尤其尖銳。獵戶座飛船在約10天的飛行中，預(yù)計產(chǎn)生300至400 GB以上的數(shù)據(jù)——高分辨率圖像、4K視頻、遙測信息、開發(fā)飛行儀器診斷數(shù)據(jù)。如果僅靠飛船上傳統(tǒng)的S頻段天線，在月球距離上的下行速率約為1至6 Mbps。按這個速率，全天24小時不間斷傳輸，也只能傳回約7 GB的數(shù)據(jù)。絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)將被迫留在飛船本地存儲中，等濺落后再慢慢導(dǎo)出。

對于一次需要實時決策的載人深空任務(wù)來說，這是不可接受的。

O2O是什么：一組關(guān)鍵參數(shù)

O2O的核心思路很直接：用紅外激光替代無線電波來傳輸數(shù)據(jù)。

激光的波長遠(yuǎn)短于無線電波，頻率極高，能夠在極小的尺寸、重量和功耗條件下，將更多的數(shù)據(jù)打包進(jìn)單一傳輸鏈路。以下是O2O系統(tǒng)的幾組關(guān)鍵參數(shù)：

下行鏈路峰值速率：260 Mbps

下行鏈路標(biāo)稱速率：80 Mbps

上行鏈路最大速率：20 Mbps

系統(tǒng)總質(zhì)量：約30.7公斤

系統(tǒng)總功耗：約90瓦

工作波長：1550納米（光學(xué)C波段）

這里需要解釋一下260 Mbps和80 Mbps的區(qū)別，避免上篇文章的一些歧義表述。260 Mbps是系統(tǒng)的峰值能力，在鏈路條件最優(yōu)時可以達(dá)到；80 Mbps是標(biāo)稱運行速率，是任務(wù)規(guī)劃中的常態(tài)工作點。按80 Mbps標(biāo)稱速率運行1小時，可傳回約36 GB數(shù)據(jù)；按260 Mbps峰值速率運行1小時，可傳回約117 GB數(shù)據(jù)。作為對比，傳統(tǒng)S頻段全天24小時不間斷傳輸僅能傳回約7 GB。即使以80 Mbps標(biāo)稱速率計算，O2O每小時的吞吐量也是S頻段全天總量的五倍以上。

與此同時，O2O的系統(tǒng)總質(zhì)量僅為傳統(tǒng)S頻段射頻系統(tǒng)的一半（約30.7公斤），功耗降低約25%（約90瓦）。更輕、更省電、速率高出數(shù)十倍至數(shù)百倍——這就是光子相比無線電波在物理層面的優(yōu)勢。

技術(shù)人員正在組裝阿爾忒彌斯二號任務(wù)的光通信系統(tǒng)

via. NASA

定位：不是替代，而是并行

需要強(qiáng)調(diào)的是，O2O在阿爾忒彌斯II任務(wù)中的角色是DTO（Development Test Objective，開發(fā)測試目標(biāo)），而非關(guān)鍵任務(wù)路徑。

這個定位是刻意的。激光通信極易受到地球大氣湍流、云層遮蔽和航天器微小指向抖動的影響，將一項尚未經(jīng)過深空實戰(zhàn)檢驗的技術(shù)直接作為載人任務(wù)的唯一通信手段，風(fēng)險顯然太高。因此，在整個任務(wù)周期內(nèi)，獵戶座飛船的生命體征下行、軌道遙測和語音通話，依然由傳統(tǒng)的S頻段和Ka頻段無線電鏈路保障。O2O在這套冗余的射頻骨干網(wǎng)之上并行運行，專門承擔(dān)那些傳統(tǒng)無線電波無力勝任的"重負(fù)荷"任務(wù)：大容量文件的雙向高速傳輸、高清視頻流媒體直播、多方視頻會議、海量診斷數(shù)據(jù)的快速下行。

這種并行架構(gòu)的好處是，工程師可以在不危及乘組安全的前提下，充分測試光學(xué)通信的極限性能。DTO成功與否，不與任務(wù)的核心成功標(biāo)準(zhǔn)綁定。但它的實戰(zhàn)數(shù)據(jù)，將直接決定未來月球門戶空間站和火星任務(wù)是否全面采用激光寬帶。

技術(shù)人員正在組裝阿爾忒彌斯二號任務(wù)的光通信系統(tǒng)

via. NASA

空間終端：30公斤里裝了什么

O2O的空間終端由MIT林肯實驗室和NASA戈達(dá)德太空飛行中心聯(lián)合研發(fā)，核心載荷稱為MAScOT（直譯過來是：模塊化、敏捷、可擴(kuò)展光學(xué)終端）。

O2O由一個萬向節(jié)（上盒）

和一個后端光學(xué)組件（下盒）組成

via. MIT林肯實驗室

這套系統(tǒng)并沒有采用整體式設(shè)計，而是將子系統(tǒng)分布在獵戶座飛船乘員艙適配器（CMA）上的三個獨立區(qū)域。CMA是連接乘員艙和歐洲服務(wù)艙的環(huán)形結(jié)構(gòu)，是電力、數(shù)據(jù)和流體管線的神經(jīng)中樞。分布式布局既隔離了發(fā)射時的劇烈震動，又優(yōu)化了散熱路徑。

光學(xué)模塊

安裝在CMA外部，包含一臺口徑約100毫米的折射望遠(yuǎn)鏡和配套的雙軸萬向節(jié)。這是系統(tǒng)最外顯的部分，負(fù)責(zé)激光的發(fā)射與接收。

控制器電子模塊

同樣在CMA外部，內(nèi)置于飛船航電系統(tǒng)對接的計算機(jī)，以及控制望遠(yuǎn)鏡精確指向的接口電子設(shè)備。兩大外部模塊均配備獨立的減震隔離系統(tǒng)，以抵御SLS火箭升空時的極限發(fā)射載荷。

內(nèi)壁組件

位于CMA內(nèi)部的減震托盤上，包含調(diào)制解調(diào)器模塊和電源轉(zhuǎn)換單元。安置在內(nèi)部主要是為了獲得更好的熱耦合性能——高功率激光放大器需要在宇宙極寒與極熱交替的環(huán)境中保持穩(wěn)定的工作溫度。

其中調(diào)制解調(diào)器是系統(tǒng)的心臟。由CACI公司設(shè)計制造的這臺飛行件，實測質(zhì)量僅11.36公斤，體積控制在約27×34×20厘米之內(nèi)，功耗嚴(yán)格限制在62瓦以內(nèi)。它接收飛船總線電源，內(nèi)部轉(zhuǎn)化為多條直流電壓軌驅(qū)動發(fā)射板和接收板——在這樣的尺寸和功耗下實現(xiàn)深空級別的高速下行能力，工程密度極高。

獵戶座飛船艙體上面搭載了

獵戶座阿爾忒彌斯II光通信系統(tǒng)

via. MIT林肯實驗室

瞄準(zhǔn)難題：40萬公里外的針眼

光通信相比射頻通信，最大的工程挑戰(zhàn)在于瞄準(zhǔn)。

無線電波可以相對寬泛地覆蓋一片區(qū)域，但紅外激光的光束發(fā)散角極小。O2O的波束寬度僅為1至100微弧度——1微弧度的精度相當(dāng)于從1公里外命中一個直徑1毫米的目標(biāo)。在月球距離上，激光束到達(dá)地球時的光斑直徑只有數(shù)百米。(小編注：這個從公開報道中獲得的數(shù)據(jù)是數(shù)百米，但是直播中技術(shù)專家說有一公里，后續(xù)持續(xù)復(fù)核中）飛船上任何微小的震動——宇航員在艙內(nèi)的活動、生命維持系統(tǒng)冷卻泵的運轉(zhuǎn)——都可能導(dǎo)致光束偏離地面接收站。

O2O為此采用了兩級伺服穩(wěn)定機(jī)制。首先，地面站持續(xù)向獵戶座飛船發(fā)射經(jīng)調(diào)制的信標(biāo)激光。飛船上的雙軸萬向節(jié)接收信標(biāo)后，完成第一階段的粗瞄準(zhǔn)。隨后，光學(xué)模塊內(nèi)部的快速轉(zhuǎn)向反射鏡接管控制，以毫秒級響應(yīng)速度實時補償各種微小擾動，將激光束鎖定在地面接收站上。萬向節(jié)由AeroVironment公司提供，整套瞄準(zhǔn)機(jī)制的精度要求在亞微弧度級別。

一個值得注意的物理特性是，O2O選擇了1550納米波長工作。這個波長處于地球大氣層的透明窗口，大氣吸收和散射相對較弱。同時，1550納米屬于人眼安全波長——該波長的光子在到達(dá)視網(wǎng)膜前就會被角膜和晶狀體吸收，因此地面站可以向太空發(fā)射高達(dá)數(shù)十瓦的上行信標(biāo)激光，不必?fù)?dān)心對商業(yè)航空器或地面人員造成視力損傷。而且，1550納米恰好是地面商用光纖通信的主力波段，NASA可以直接利用成熟的商用供應(yīng)鏈，降低成本并提高元器件可靠性。

調(diào)制編碼：在光子極度匱乏中榨取信息

激光在40萬公里的傳播中，信號強(qiáng)度按距離平方衰減。離開望遠(yuǎn)鏡的激光束到達(dá)地球時，光斑已擴(kuò)散至很大范圍，地面望遠(yuǎn)鏡只能捕獲其中極微小比例的光子。在這種光子極度匱乏的環(huán)境下，地面光纖通信中常用的相位調(diào)制或正交調(diào)幅方案會變得極度低效。

O2O采用的是PPM。具體而言，系統(tǒng)遵循空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會制定的國際標(biāo)準(zhǔn)，使用串行級聯(lián)脈沖位置調(diào)制技術(shù)。這種調(diào)制方式不通過改變激光的強(qiáng)度或相位來傳遞信息，而是將時間劃分為極微小的時隙，在一組時隙中僅在一個特定時隙點亮激光脈沖。O2O對PPM16和PPM32格式進(jìn)行了優(yōu)化，在250 MHz和500 MHz時隙速率下，單個光子脈沖可攜帶4位或5位信息。

SCPPM中的串行級聯(lián)指的是前向糾錯機(jī)制。激光穿透大氣層時，湍流會導(dǎo)致信號發(fā)生毫秒級閃爍。SCPPM采用可配置的數(shù)據(jù)交織器，將數(shù)據(jù)在時間序列上打散傳輸，即使地面探測器遺漏了部分光子，系統(tǒng)也能在算法層面將殘缺的脈沖重新拼湊為完整數(shù)據(jù)。

在發(fā)射端，調(diào)制解調(diào)器采用主振蕩器功率放大器架構(gòu)。一個超低噪聲的半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生低功率種子信號，隨后經(jīng)摻鉺-鐿共摻雜光纖放大器逐級放大至最高1瓦特的平均激光功率用于下行傳輸。放大器內(nèi)部設(shè)計了高冗余度的泵浦備用機(jī)制，以應(yīng)對宇宙射線可能造成的硬件失效。

地面站：氣象和地球自轉(zhuǎn)的雙重挑戰(zhàn)

太空終端再先進(jìn)，如果地面沒有可靠的接收站，帶寬也將歸零。與能穿透云層的無線電波不同，紅外激光對天氣極為敏感——云層、降水、懸浮顆粒和大氣湍流都會對激光造成嚴(yán)重干擾。O2O的地面段設(shè)計，核心就在于獲取"氣象豁免權(quán)"。

在美國本土，NASA部署了兩座核心光學(xué)地面站：

新墨西哥州白沙綜合體——位于干旱荒漠，是O2O地面網(wǎng)絡(luò)的中樞。白沙站的上行發(fā)射機(jī)采用了空間分集架構(gòu)：由四臺口徑約15.4厘米的折射望遠(yuǎn)鏡組成陣列，共同安置在雙軸萬向支架內(nèi)，每臺發(fā)射最高10瓦光功率，四束光在遠(yuǎn)場合成一個波束射向月球。這樣設(shè)計的核心目的是抑制大氣湍流——四束光穿越不同的大氣氣團(tuán)，遭遇的折射和衰落互不相關(guān)，疊加后閃爍效應(yīng)在概率上被平滑抵消。

加利福尼亞州桌山設(shè)施——由JPL運營，位于南加州高山上，依托一臺1米口徑的大型反射望遠(yuǎn)鏡，采用折軸光路配置。巨大的孔徑提供了極強(qiáng)的集光能力，負(fù)責(zé)接收從月球傳回的微弱光子。

位于澳大利亞堪培拉斯特羅姆洛山天文臺的

量子光學(xué)地面站

via. NASA

位于美國新墨西哥州拉斯克魯塞斯市

美國宇航局白沙綜合設(shè)施的O2O地面終端

via. NASA

但僅靠北美的站點還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。地球在自轉(zhuǎn)，如果地面站只集中在一個大陸，每天將有十幾個小時的通信盲區(qū)。NASA正在推進(jìn)的LEGS計劃，目標(biāo)是在全球范圍均勻分布通信節(jié)點。在射頻方面，LEGS將在白沙、南非馬特耶斯方丹和澳大利亞部署三座18米級天線，呈120度均勻分布。在光學(xué)方面，澳大利亞國立大學(xué)在斯特羅姆洛山天文臺建設(shè)的量子光學(xué)地面站，在本次任務(wù)中已承擔(dān)了接收O2O下行信號的任務(wù)，并成功實現(xiàn)了260 Mbps峰值速率的數(shù)據(jù)解碼。

值得關(guān)注的是，美澳聯(lián)合團(tuán)隊正在驗證利用低成本商用現(xiàn)貨組件搭建深空光學(xué)地面站的可行性。如果這條路徑走通，光學(xué)地面站的建設(shè)成本將大幅下降，有望吸引商業(yè)資本進(jìn)入深空通信基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域。

實戰(zhàn)表現(xiàn)：數(shù)據(jù)傳輸能力的代際跨越

O2O在阿爾忒彌斯II任務(wù)中展示的性能，直觀地體現(xiàn)在數(shù)據(jù)吞吐量上。

260 Mbps的峰值下行速率，放在地面5G網(wǎng)絡(luò)中不算出眾。但在距地球40萬公里、光子寥寥無幾的深空中，這是一個驚人的數(shù)字。阿波羅時代統(tǒng)一S波段系統(tǒng)的高速遙測速率為51.2 kbps，O2O峰值速率是其約5000倍——接近四個數(shù)量級的跨越。

O2O具備在峰值速率下傳輸4K視頻的能力，任務(wù)期間也進(jìn)行了4K傳輸測試。但在日常運行中，考慮到帶寬需要在遙測、飛行計劃、科學(xué)數(shù)據(jù)和視頻之間分配，O2O主要支持標(biāo)清和高清實時視頻流。大量4K原始素材通過存儲卡在飛船濺落后物理回收。

即便如此，O2O仍是帶來了質(zhì)變。宇航員可以與地球上的家人進(jìn)行高清視頻通話。如果發(fā)生緊急醫(yī)療事件，地面醫(yī)療專家可以通過高清影像進(jìn)行遠(yuǎn)程會診。飛船遍布全身的開發(fā)飛行儀器采集到的熱力學(xué)、應(yīng)力和輻射診斷數(shù)據(jù)，可以在幾分鐘內(nèi)傳回休斯頓約翰遜航天中心的工程師手中。

NASA在任務(wù)第四天（飛船繞過月球背面并開始返程的關(guān)鍵節(jié)點）確認(rèn)，O2O已累計向地球傳回超過100 GB的數(shù)據(jù)。截至4月10日任務(wù)結(jié)束，通過O2O下行的數(shù)據(jù)總量超過400 GB——這些數(shù)據(jù)如果僅靠S頻段傳輸，需要將近兩個月。

O2O在NASA光通信版圖中的位置

O2O不是NASA的第一次空間激光通信嘗試，但它填補了一個關(guān)鍵的距離區(qū)間。

2021年發(fā)射的激光通信中繼演示（LCRD），運行在距地球約35000公里的地球同步軌道上。2023年，國際空間站安裝了ILLUMA-T終端，以高達(dá)1.2 Gbps的速率將數(shù)據(jù)發(fā)送給LCRD衛(wèi)星，再由后者中繼回地球。這套系統(tǒng)解決的是近地軌道的中繼拓?fù)鋯栴}。

同在2023年發(fā)射的靈神星探測器上搭載了深空光學(xué)通信（DSOC）實驗，則走向了另一個極端。靈神星的目標(biāo)是一顆距地球遠(yuǎn)達(dá)數(shù)億公里的小行星。在距地球超過3.7億公里（約2.68天文單位）的深空中，DSOC依然成功解碼了8.33 Mbps的數(shù)據(jù)流。O2O和DSOC在底層物理學(xué)上高度相似——都采用脈沖位置調(diào)制，地面接收端都使用超導(dǎo)納米線單光子探測器（SNSPD）——但任務(wù)尺度有天壤之別。

三個項目各自占據(jù)一個距離區(qū)間：ILLUMA-T負(fù)責(zé)近地中繼，O2O鞏固地月空間的大容量骨干鏈路，DSOC則向火星乃至更遠(yuǎn)的深空拓荒。O2O的核心光學(xué)總成MAScOT直接繼承了ILLUMA-T的驗證成果，證明了模塊化光學(xué)終端可以跨越不同軌道距離進(jìn)行擴(kuò)展。

激光通信核心組件大有可為

O2O是一次定義明確的技術(shù)驗證。它沒有被賦予成敗攸關(guān)的壓力，但它攜帶的意義遠(yuǎn)超一套30公斤的系統(tǒng)本身。

從實用層面看，O2O的寬帶能力直接緩解了深空網(wǎng)絡(luò)長期面臨的帶寬飽和問題。將高清視頻、大容量診斷數(shù)據(jù)等高帶寬負(fù)荷卸載到激光鏈路上，釋放出傳統(tǒng)射頻頻段去服務(wù)日益龐大的無人探測器隊列。射頻與激光不是替代關(guān)系，而是互補共生。

從安全層面看，激光的極窄波束帶來了天然的通信安全性。傳統(tǒng)射頻信號呈扇形擴(kuò)散，到達(dá)地球時信號足跡可能覆蓋整個大陸；O2O的激光束發(fā)散角僅有幾微弧度，信號能量被物理隔離在地面接收站周邊極小的范圍內(nèi)。

從產(chǎn)業(yè)層面看，O2O完全遵循CCSDS的SCPPM國際標(biāo)準(zhǔn)，選擇1550納米商用波段，地面站驗證COTS組件的可行性——每一步都在降低門檻、做大生態(tài)。如果阿爾忒彌斯II的實戰(zhàn)數(shù)據(jù)證明這條路徑成立，激光通信從實驗室走向深空基礎(chǔ)設(shè)施的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程將明顯加速。

當(dāng)然，挑戰(zhàn)同樣不容回避。激光通信受天氣影響大，云層遮蔽下鏈路會中斷，這是射頻通信不存在的問題。地面站的全球布網(wǎng)尚在早期階段，南半球覆蓋仍然薄弱。從DTO到正式的任務(wù)關(guān)鍵路徑，O2O還有相當(dāng)長的路要走。

但方向已經(jīng)很清楚了。這種清晰不僅屬于深空。以SpaceX為代表的低軌星座已經(jīng)證明，衛(wèi)星之間的激光鏈路是構(gòu)建空間互聯(lián)網(wǎng)的生命線；而同樣不可忽視的是，星地之間的激光通信，更是數(shù)據(jù)真正落地的咽喉——沒有高速下行通道，星座的帶寬優(yōu)勢便始終困在天上。O2O在月地距離上驗證的能力，與低軌星地鏈路的技術(shù)訴求一脈相承：窄波束、高帶寬、物理安全。半個多世紀(jì)，從阿波羅時代的每秒51.2千比特，到阿爾忒彌斯II的峰值每秒2.6億比特，從無線電波到紅外光子，深空通信的代際跨越正在真實發(fā)生，而它掀起的波瀾，正同步涌向近地軌道，涌向每一束穿過大氣層的光。

>End

本文轉(zhuǎn)載自“叁井瘦”，原標(biāo)題《從月球打回地球的激光：解讀阿爾忒彌斯II的O2O激光通信》。

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