无线电和激光通信之间数据速率差异的图形表示。信用:美国国家航空航天局发射今年夏天，美国国家航空航天局的激光通信中继演示(LCRD)将展示激光通信技术的动态能力。随着美国国家航空航天局越来越多的人类和机器人进入太空，任务可以从与地球“对话”的新方式中受益。自20世纪50年代航天飞行开始以来，美国国家航空航天局的任务利用射频通信向太空发送数据和从太空接收数据。激光通信，也称为光通信，将进一步赋予任务前所未有的数据能力。
为什么是激光？
随着科学仪器不断发展以捕捉像4K视频这样的高清晰度数据，任务将需要快速的方式向地球传输信息。有了激光通信，美国宇航局可以大大加快数据传输过程，并授权更多的发现。
激光通信将使传输回地球的数据比目前的射频系统多10到100倍。用目前的无线电频率系统将一张完整的火星地图传回地球大约需要9周的时间。用激光，大约需要九天。
此外，激光通信系统是任务的理想选择，因为它们需要更小的体积、重量和功率。质量越小意味着科学仪器的空间越大，功率越小意味着航天器动力系统的消耗越少。这些都是美国宇航局在设计和开发任务概念时至关重要的考虑因素。
“LCRD将展示使用激光系统的所有优势，并允许我们学习如何在作战中最好地使用它们，”美国宇航局戈达德太空飞行中心的首席研究员大卫·伊斯雷尔说。“随着这一能力的进一步证明，我们可以开始在更多的任务中实施激光通信，使其成为发送和接收数据的标准化方式。”
它是如何工作的
无线电波和红外光都是电磁波谱上不同点波长的电磁辐射。就像无线电波一样，红外线对人眼来说是不可见的，但是我们每天都会遇到像电视遥控器和加热灯这样的东西。
任务将它们的数据调制到电磁信号上，以穿越航天器和地球上地面站之间的距离。随着通信的进行，电波传播开来。
用于激光通信的红外光不同于无线电波，因为红外光将数据打包成明显更紧密的波，这意味着地面站可以一次接收更多的数据。虽然激光通信不一定更快，但在一个下行链路中可以传输更多的数据。
太空中的激光通信终端使用比射频系统更窄的波束宽度，提供了更小的“足迹”，可以通过大幅减少某人可以接入通信链路的地理区域来最小化干扰或提高安全性。然而，当从数千或数百万英里外进行广播时，指向地面站的激光通信望远镜必须准确无误。哪怕是几分之一度的偏差都会导致激光完全偏离目标。就像四分卫把足球扔给接球手一样，四分卫需要知道把足球，也就是信号，送到哪里，这样接球手才能跨步接球。美国宇航局的激光通信工程师已经复杂地设计了激光任务，以确保这种联系能够发生。
激光通信中继演示
LCRD位于地球同步轨道，距离地球约22000英里，将能够支持近地区域的任务。LCRD将在头两年用大量实验测试激光通信能力，以进一步完善激光技术，增加我们对未来潜在应用的了解。
LCRD的初始实验阶段将利用任务在加州和夏威夷的地面站，光学地面站1和2，作为模拟用户。这将使美国宇航局能够评估激光对大气的干扰，并练习将支持从一个用户切换到下一个用户。在实验阶段之后，LCRD将过渡到支持太空任务，通过红外激光向卫星发送和从卫星接收数据，以展示激光通信中继系统的优势。
LCRD的第一个太空用户将是美国宇航局的LCRD低地球轨道综合用户调制解调器和放大器终端，该终端将于2022年发射到国际空间站。该终端将从空间站上的实验和仪器接收高质量的科学数据，然后以每秒1.2千兆比特的速度将这些数据传输到LCRD。然后，LCRD将以同样的速率将其传输到地面站。
LCRD和ILLUMA-T跟随开创性的2013年月球激光通信演示，该演示通过每秒622兆比特的激光信号下载数据，证明了月球激光系统的能力。美国宇航局还有许多其他的激光通信任务目前处于不同的发展阶段。这些任务中的每一项都将增加我们对激光通信的好处和挑战的了解，并进一步使技术标准化。
LCRD计划于2021年6月23日作为有效载荷在国防部航天器上发射。
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