4 月 6 日消息，随着阿耳忒弥斯二号任务前往月球进行飞掠探测，猎户座乘员舱正在测试美国国家航空航天局（NASA）迄今为止最具雄心的太空通信升级项目之一：一套名为 O2O 的激光通信系统。
据了解，O2O 是“猎户座阿耳忒弥斯二号光通信系统（Orion Artemis II Optical Communications System）”的缩写，该系统凝聚了美国国家航空航天局与麻省理工学院林肯实验室二十余年的研究成果，旨在为深空探测搭建更优质的高带宽通信链路。该系统设计下行数据传输速率最高可达 260 兆比特每秒，远超早期任务所依赖的无线电通信链路。《Scientific American》采访了该系统的部分研发人员，揭秘其工作原理。
以光为媒
美国国家航空航天局太空通信与导航项目副项目经理格雷格 · 赫克勒表示：“自 NASA 成立以来，我们一直采用微波通信技术，通常使用吉赫兹频段的信号。”该项目为 O2O 系统提供了资金支持。事实上，猎户座载人舱仍将以这项传统技术作为核心通信系统，与 NASA 分布在全球的近地太空网络以及深空网络巨型无线电天线建立连接。
NASA 在过去二十年持续研发光通信系统。这类系统利用激光发射的红外光脉冲而非微波来编码数据，相比传统通信系统，不仅能传输海量信息，所需设备也更小巧轻便。
早在十余年前，O2O 的核心设计组件就已通过一系列验证试验得到证实。2013 年的月球激光通信演示实验创下了月球至地球的下载速度纪录；而近期的任务，例如搭载在近地轨道立方星上的万亿字节红外传输系统，以及部署在“灵神星”探测器上的深空光通信实验，更是将激光通信的速率与传输距离推向新高度。一台与猎户座搭载设备几乎一致的光通信终端，已在国际空间站稳定运行两年多。赫克勒称：“每一次试验，我们都刷新了数据传输速率纪录，而 O2O 将成为这一系列验证项目的收官之作。”
O2O 设备体积与家猫相仿，预计对地下行速率可达 260 兆比特每秒，上行至猎户座的速率为 20 兆比特每秒。赫克勒打趣道：“这样的网速放在家用宽带里，也足够让人满意了。”上下行速率不对等，是因为猎户座上的光接收器尺寸更小。
在双向视频通话场景下，信号往返延迟约为一秒。赫克勒表示：“这种延迟能被感知，但并不会构成通信障碍。”随着阿耳忒弥斯计划逐步实现人类在月球及月球轨道的长期驻留，实时双向通话能力将至关重要。他还说：“试想一下，对于身处压力环境的月球宇航员而言，能与家人视频通话有着怎样的意义。”
更高效的信息传输通道，还能让地球科学家实时获取飞行记录仪中的关键任务数据，无需等待猎户座返航着陆后再回收。未来，持续的双向通信还能支持科学家远程操控月球车，监测月球关键基础设施的运行状态。
瞄准、锁定、发射
研发 O2O 终端的麻省理工学院林肯实验室光与量子通信组负责人布莱恩 · 罗宾逊介绍，O2O 模块所用的激光并无特别之处：“我们大量采用了光纤通信行业通用的激光与发射设备。”该设备为半导体激光，工作在电信领域常用的不可见红外波段，铒掺杂光纤放大器可将激光孔径发射功率提升至 1 瓦。
猎户座发射的激光束抵达约 38.44 万公里外的地球时，光斑直径可达 6 公里。罗宾逊解释：“激光笔的孔径只有几毫米，在数米距离内，投射在屏幕上只是一个小点。但若是在太空中传播 40 万公里，光斑会远比刚才说的大得多。”
从月球视角来看，直径 6 公里的目标极为微小。罗宾逊表示：“本次任务最大的技术难题，是实现激光的精准指向。”O2O 模块将数据传输至新墨西哥州和加利福尼亚州的地面站，当地干燥的空气与稀少的云层有利于保障通信链路稳定。“想要建立通信，指向精度必须达到千分之一度。”
要精准命中目标，需要精准掌握猎户座飞船的位置与姿态，这在太空中难度极大。猎户座搭载的星敏感器可识别飞船朝向，但星敏感器与通信终端之间的偏差，只有进入太空后才能完整测量并校正。罗宾逊说：“我们会仔细测算与星敏感器的校准偏差，可即便只是星敏感器和飞船上 O2O 终端的距离差异，温度等因素也会产生形变，影响指向精度。”
O2O 系统通过一台安装在双轴万向支架上的 10 厘米望远镜实现激光指向，该支架可在半球范围内灵活转动捕捉目标。后端光学组件，包括聚光透镜、追踪传感器、快速转向镜等，会对激光束进行精细微调。罗宾逊表示：“只要飞船将我们对准目标半球，就能正常工作。”但仍存在不确定因素，比如猎户座的太阳能板或船体可能遮挡信号，飞船能否保持稳定姿态也未可知。“首次尝试指向时，我们一定会发现只有在太空航行中才能察觉的飞船特性问题。”
当猎户座飞至月球背面时，所有通信系统会出现短暂中断。不过在后续阿耳忒弥斯任务中，中继卫星将弥补月球背面的通信盲区。
而对于公众而言，O2O 最直观的价值，是通过猎户座 28 台摄像头传回更清晰的画面。该系统可同步传输 4K 视频、照片、科研数据与语音通信。赫克勒说：“摄像头记录的就是任务本身，我们希望用 4K 高清影像回馈美国民众。”
