4 月 6 日消息，隨著阿耳忒彌斯二號任務前往月球進行飛掠探測，獵戶座乘員艙正在測試美國國家航空航天局（NASA）迄今為止最具雄心的太空通信升級項目之一：一套名為 O2O 的激光通信系統。

據了解，O2O 是“獵戶座阿耳忒彌斯二號光通信系統（Orion Artemis II Optical Communications System）”的縮寫，該系統凝聚了美國國家航空航天局與麻省理工學院林肯實驗室二十余年的研究成果，旨在為深空探測搭建更優質的高帶寬通信鏈路。該系統設計下行數據傳輸速率最高可達 260 兆比特每秒，遠超早期任務所依賴的無線電通信鏈路。《Scientific American》采訪了該系統的部分研發人員，揭秘其工作原理。

以光為媒

美國國家航空航天局太空通信與導航項目副項目經理格雷格 · 赫克勒表示：“自 NASA 成立以來，我們一直采用微波通信技術，通常使用吉赫茲頻段的信號?！痹擁椖繛?O2O 系統提供了資金支持。事實上，獵戶座載人艙仍將以這項傳統技術作為核心通信系統，與 NASA 分布在全球的近地太空網絡以及深空網絡巨型無線電天線建立連接。

NASA 在過去二十年持續研發光通信系統。這類系統利用激光發射的紅外光脈沖而非微波來編碼數據，相比傳統通信系統，不僅能傳輸海量信息，所需設備也更小巧輕便。

早在十余年前，O2O 的核心設計組件就已通過一系列驗證試驗得到證實。2013 年的月球激光通信演示實驗創下了月球至地球的下載速度紀錄；而近期的任務，例如搭載在近地軌道立方星上的萬億字節紅外傳輸系統，以及部署在“靈神星”探測器上的深空光通信實驗，更是將激光通信的速率與傳輸距離推向新高度。一臺與獵戶座搭載設備幾乎一致的光通信終端，已在國際空間站穩定運行兩年多。赫克勒稱：“每一次試驗，我們都刷新了數據傳輸速率紀錄，而 O2O 將成為這一系列驗證項目的收官之作。”

O2O 設備體積與家貓相仿，預計對地下行速率可達 260 兆比特每秒，上行至獵戶座的速率為 20 兆比特每秒。赫克勒打趣道：“這樣的網速放在家用寬帶里，也足夠讓人滿意了。”上下行速率不對等，是因為獵戶座上的光接收器尺寸更小。

在雙向視頻通話場景下，信號往返延遲約為一秒。赫克勒表示：“這種延遲能被感知，但并不會構成通信障礙?！彪S著阿耳忒彌斯計劃逐步實現人類在月球及月球軌道的長期駐留，實時雙向通話能力將至關重要。他還說：“試想一下，對于身處壓力環境的月球宇航員而言，能與家人視頻通話有著怎樣的意義?！?/p>

更高效的信息傳輸通道，還能讓地球科學家實時獲取飛行記錄儀中的關鍵任務數據，無需等待獵戶座返航著陸后再回收。未來，持續的雙向通信還能支持科學家遠程操控月球車，監測月球關鍵基礎設施的運行狀態。

瞄準、鎖定、發射

研發 O2O 終端的麻省理工學院林肯實驗室光與量子通信組負責人布萊恩 · 羅賓遜介紹，O2O 模塊所用的激光并無特別之處：“我們大量采用了光纖通信行業通用的激光與發射設備。”該設備為半導體激光，工作在電信領域常用的不可見紅外波段，鉺摻雜光纖放大器可將激光孔徑發射功率提升至 1 瓦。

獵戶座發射的激光束抵達約 38.44 萬公里外的地球時，光斑直徑可達 6 公里。羅賓遜解釋：“激光筆的孔徑只有幾毫米，在數米距離內，投射在屏幕上只是一個小點。但若是在太空中傳播 40 萬公里，光斑會遠比剛才說的大得多。”

從月球視角來看，直徑 6 公里的目標極為微小。羅賓遜表示：“本次任務最大的技術難題，是實現激光的精準指向?！監2O 模塊將數據傳輸至新墨西哥州和加利福尼亞州的地面站，當地干燥的空氣與稀少的云層有利于保障通信鏈路穩定?！跋胍⑼ㄐ牛赶蚓缺仨氝_到千分之一度?！?/p>

要精準命中目標，需要精準掌握獵戶座飛船的位置與姿態，這在太空中難度極大。獵戶座搭載的星敏感器可識別飛船朝向，但星敏感器與通信終端之間的偏差，只有進入太空后才能完整測量并校正。羅賓遜說：“我們會仔細測算與星敏感器的校準偏差，可即便只是星敏感器和飛船上 O2O 終端的距離差異，溫度等因素也會產生形變，影響指向精度?！?/p>

O2O 系統通過一臺安裝在雙軸萬向支架上的 10 厘米望遠鏡實現激光指向，該支架可在半球范圍內靈活轉動捕捉目標。后端光學組件，包括聚光透鏡、追蹤傳感器、快速轉向鏡等，會對激光束進行精細微調。羅賓遜表示：“只要飛船將我們對準目標半球，就能正常工作?！钡源嬖诓淮_定因素，比如獵戶座的太陽能板或船體可能遮擋信號，飛船能否保持穩定姿態也未可知。“首次嘗試指向時，我們一定會發現只有在太空航行中才能察覺的飛船特性問題。”

當獵戶座飛至月球背面時，所有通信系統會出現短暫中斷。不過在后續阿耳忒彌斯任務中，中繼衛星將彌補月球背面的通信盲區。

而對于公眾而言，O2O 最直觀的價值，是通過獵戶座 28 臺攝像頭傳回更清晰的畫面。該系統可同步傳輸 4K 視頻、照片、科研數據與語音通信。赫克勒說：“攝像頭記錄的就是任務本身，我們希望用 4K 高清影像回饋美國民眾。”