如何在火星上搭建互联网

超载鸡 @ 2024.02.11 , 07:04

如何在火星上搭建互联网

未来火星住民需要新的连接方式，克服与地球的通讯延时，建立可靠的通讯基础设施，采用先进的激光通信技术以及创建火星本地互联网等方案正在提出和测试中。

几十年代后，当宇航员在火星上登陆时，他们需要找到一种方式来进行沟通——彼此之间、与火星上及其周围的设备、以及回地球的任务控制中心。尽管离家如此遥远，他们无疑希望与亲人联系、保持播放列表的更新或播放他们最喜欢的节目的最新剧集。
但建立一个连接地球互联网的 Wi-Fi 连接并不是一种选择。地球距离实在太远了——根据行星在各自轨道上的位置，大约有 5500 万到 4 亿公里。航天员需要另一种策略。
欧洲航天局系统工程师Claire Parfitt说，建立良好的通信基础设施对于人类火星任务来说至关重要。她说：“目前，我们正处于弄清楚这意味着什么的第一阶段。”
研究人员正在测试升级现有网络以及一些遥远的替代方案的方法。例如，NASA 的 Psyche 任务于 10 月发射，计划探索火星和木星之间的小行星，还将使用激光器测试星际通信。激光器可以比从太空旅行最早时期开始使用过的无线电波携带更多的数据。
没有任何已知策略可以消除地球与火星之间的通信中的时间滞后；以光速移动的消息单程需要 4 到 24 分钟。换句话说，快速 ping 任务控制中心是不可能的，更不用说 WhatsApp 通话回家了。
Parfitt说，还有凌日的问题，即当太阳位于地球和火星之间时。这种情况大约每两年发生一次，持续几周，切断了行星之间的通信。最后一次发生在 11 月。
但是，新方法可以开辟可能性，使火星上的通信更类似于我们在地球上的体验。至少有一个研究团队想知道：如果火星有自己的互联网呢？
火星通信如何运作
几个空间机构已经在火星上拥有必须与地球通信的着陆器、漫游车和卫星。
考虑一下 NASA 的毅力号漫游车。它发送和接收两种信息。一种是指令和遥测，地球上的操作员发送指令，接收信息并决定下一步做什么。Percy 每天通常从地球接收超过 1,000 条命令。第二种是科学数据Percy 收集的，例如火星岩石的图片。今年早些时候结束其任务的直升机机智号也定期向漫游车发出 ping 命令，该漫游车充当基础站，在机智号和地球之间中继数据和指令。围绕该行星运行的轨道器，包括 NASA 的火星奥德赛号和火星勘测轨道器 (MRO) 以及 ESA 的痕量气体轨道器 (TGO)，同样将科学数据发送回地球。
呼叫地球
毅力号和其他火星探测器通过 X 波段无线电波直接从地球接收大部分指令。虽然 Percy 可以直接发送少量数据，但它经常使用超高频 (UHF) 无线电波将数据传输到火星中继网络中的轨道器之一，该轨道器具有用于将数据发送到地球的大天线。Percy 还充当与直升机机智号通信的基础站。

与火星的大部分通信都通过火星中继网络进行，正如 NASA 所描述的“一场精心编排的舞蹈”。火星周围的五个轨道器——MRO、TGO、MAVEN、火星奥德赛和火星快车——通过指向地球的天线传输信息。
需要将最新观测结果发送回地球的探测器首先使用超高频无线电传输将数据传递给其中一个轨道器。如果该轨道器没有与地球的视线，它可以保留信息，直到它这样做。然后将数据中继到地球，在那里分布在全球的强大无线电天线始终监听来自深空的发出的 ping 信号。
一旦有人类机组降落在火星上，这个系统将不够好。麻省理工学院的光纤和卫星通信研究员 Vincent Chan 预计不会将当地的地面通信视为挑战。他说，火星机组可以通过无线电频率和现有的无线技术进行交互。当宇航员彼此靠近时，两座微型蜂窝塔就足够了，并且当宇航员相距甚远以至于消息必须发送到地平线上时，可以使用某种中继。居住在地球偏远地区的人们一直以类似的方式进行交流。陈说：“这些服务已经投入使用”，而且“非常经济”。
Chan说，机组人员着陆器上一个指向地球的大天线可能是火星探险家建立的第一个基础设施，但随后事情可能会变得更具挑战性。当地面天线没有直接视距时，宇航员可以使用类似于火星中继网络的轨道中继与地球通信。必须有几个轨道器可用于全天候覆盖，并且需要对其进行优化以进行大量数据传输。
ESA 目前正在考虑使今天的中继网络更加强大。它正处于考虑一个名为火星通信和导航基础设施 (MARCONI) 的概念的早期阶段。如果进展顺利，该项目将开发一套与通信和导航相关的有效载荷，这些有效载荷可以搭载任何前往火星的任务。
Parfitt解释说，一旦部署到轨道上，这些有效载荷将充当节点，在火星上和火星上提供无线电通信。然后，它们可以继续用于未来的任务。她说：“你的着陆质量越大，成本就越高，所以你并不一定希望每次都将巨大的通信系统降落在火星上。”
虽然传统的无线电频率足以满足低数据速率，但使用激光链路可以在相同的时间范围内承载多 10 倍到 100 倍的数据。@于光波比无线电波的频率高出数千倍，所以可以包含更多信息。因此，这种类型的光学信号正是空间通信的发展方向。
太空中的激光通信
去年 10 月发射的 Psyche 航天器将在其前往 Psyche 所要探索的富含金属的小行星的过程中测试长距离激光通信的可行性。航天器搭载了 NASA 的深空光学通信 (DSOC) 技术。
使用激光进行太空通信并不新鲜，但它们从未在比月球更远的距离进行过测试。11月中旬，Psyche 从 1600 万公里的距离向地球传输数据——比月球远 40 倍。12 月，它从 3100 万公里的距离发来了一段名为 Taters 的猫的视频。
ESA 也在探索长距离光学通信。一个名为 ScyLight(安全和激光通信技术，发音为 skylight)的项目正在支持从太空进行安全和快速数据通信的光学和量子技术的研发。
尽管有这些好处，但光学通信要求在瞄准信号时具有超高精度。与无线电通信不同，光学信号以窄波束发送，必须准确指向接收器。此外，云层覆盖和大气影响也会干扰激光。
向光学通信的任何转变都意味着对现有无线电天线(称为深空网络)进行一些升级，或对深空网络进行一些升级——或新的基础设施。
尽管比火星更近，但月球为未来的连通性提供了学习机会。作为旨在让人类重返月球的 Artemis 计划的一部分，NASA 已与私营公司签订合同，以建立用于电信的月球 4G 网络。此类网络基于无线电波，并将包括能够承受严酷月球地貌的天线和基站。
ESA 的一个名为 Moonlight 的项目邀请私营太空公司在月球周围建立一个通信卫星群，包括没有直接可见地球的区域。该项目的第一个阶段包括发射 Lunar Pathfinder 轨道器，目前计划于 2026 年发射。
总部位于伦敦、担任 ESA 未来项目工程师的Tomas Navarro说：“所有为月球所做的一切，其目的是将人类和任务带到火星。”
火星上的互联网
那些火星探险者，更不用说未来的居民，无疑想做的不仅仅是来回发送消息。他们需要一种类似于地球互联网的设置，我们使用它来完成从分享照片到访问大型数据库的所有事情。2023 年 6 月，柏林工业大学的托比亚斯·方德泽尔特和大卫·贝尔巴赫提出，围绕火星运行的一系列卫星可以为红色星球提供自己的互联网分支。
我们大多数地球人通过手机使用无线 4G 或 5G 网络或通过 Wi-Fi 路@器上的无线电辐射频率来访问互联网。这些连接通过世界各地的光纤电缆相连。拟议的火星网络将类似于 Starlink，@ SpaceX 运营的低地球轨道卫星群。在地球上，通过卫星提供的宽带互联网和手机覆盖非常昂贵，但在火星上，这样的系统可能比在地面上建造一个庞大且健壮的网络更便宜且更容易。
Pfandzelter 和 Bermbach 都是云计算专家——通过互联网提供计算服务的专家。对于他们提出的火星互联网，他们从边缘计算的概念中推断出了概念，在边缘计算中，信息是在收集信息的地方附近处理的。
位于加利福尼亚州圣何塞的技术公司 Supermicro 的总经理Michael Clegg使用一家很受欢迎的披萨店的类比解释了边缘计算，“这家披萨店在更多社区开设了较小的分店，因为在主营业点烘焙的馅饼在送到远方的顾客手中时会变冷。”边缘计算通常依赖地面上的基站来存储和转发数据，但低地球轨道卫星现在被视为一种替代方案。

一组研究人员表示，围绕火星轨道运行的81颗卫星组成的网络(图中蓝色部分)可以提供全球范围的互联网覆盖。绿色点显示截至2018年的火星着陆点。
Pfandzelter 和 Bermbach 得出的结论是，环绕火星的 81 颗低轨道卫星将足以覆盖整个星球。它们将提供一个本地的通信系统，该系统将是地球互联网的延伸。
考虑一下一位宇航员正在火星上试图赶上 奇闻趣事网flix 的节目。“如果你要从地球播放它，你必须先等待 10 分钟、15 分钟甚至 40 分钟，”Pfandzelter 说，而且这只是连接。这将是一个令人沮丧的间歇性的事情。并且如果火星上的另一位宇航员想要观看同一部电影，他们必须从头开始经历同样的过程。
相反，火星上的云数据存储系统可以使电影易于访问。“因为你的所有数据都是本地复制的，所以你只需要拥有你在地球上的相同体验，”他说。与此同时，其他上传和下载到地球的数据，例如科学数据，可以在后台继续进行。
将互联网卫星送入围绕火星的轨道也会很经济，因为它不需要在地面降落基础设施；着陆设备可能占到任务预算的很大一部分。“只需向火星发送一堆联网卫星，然后让它们保持在轨道上，可能会便宜得多，”Pfandzelter 说。
这类似于 MARCONI 概念的扩大版本(并且可以使用无线电波或光波，具体取决于这些技术的状态)。
尽管到达火星还有几十年的时间，Parfitt 说，现在开始计划还为时不早。行星之间的视频实时聊天超出了科学可能的范围。除非物理定律发生重大变化，否则消息永远无法比光速传播得更快。“这不是要解决的问题。这只是一个问题。”
但其他限制可以克服。应对这些挑战不仅可能使未来的火星宇航员受益，而且还有助于更早地将他们送往火星。
Parfitt 说：“当你投入这样的基础设施时，你会看到许多、许多的任务正在被提议。”
本文译自 sciencenews，@ 超载鸡 翻译。

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