الملخص:
في الماضي، كان على الموظفين الأرضيين الانتظار من أربع إلى خمس دقائق حتى يتم إرسال صورة بانورامية فائقة الوضوح بدقة 8K للقمر من المدار القمري. واليوم، يمكن إرسال نفس الصورة في حوالي 12 ثانية. ما أدى إلى هذا التغيير هو اختبار الاتصال بالليزر عالي السرعة بين الأرض والقمر والذي تم الانتهاء منه مؤخرًا. وأنشأ هذا الاختبار وصلة ليزر مستقرة وعالية السرعة بين الأرض والقمر على مسافة 400 ألف كيلومتر، وهو ما يعادل إنشاء "طريق سريع للمعلومات" بين الأرض والقمر.
رسم تخطيطي لاتصالات الليزر ثنائية الاتجاه على مقياس الأرض والقمر. مصدر الصورة: مركز هندسة وتكنولوجيا التطبيقات الفضائية، الأكاديمية الصينية للعلوم
ما هي مزايا الاتصالات بالليزر بين رابطة الدول المستقلة والقمرية؟ ما هي الصعوبات التقنية التي يجب التغلب عليها لتحقيق اتصال ليزري ثنائي الاتجاه بين الأرض والقمر؟ ما هي التغييرات التي ستتبع؟ بالتركيز على هذه القضايا، في الأول من سبتمبر، أجرى مراسلو مجلة Science and Technology Daily مقابلات مع الخبراء المعنيين.
السؤال الأول: ما هي مميزات الاتصال بالليزر بين الأرض والقمر؟
تعتمد اتصالات الترددات الراديوية التقليدية على موجات الراديو، بينما يستخدم الاتصال بالليزر نقل الموجات الضوئية، وهو أقرب إلى النطاق العريض للألياف الضوئية من حيث المبدأ. أكبر مزايا الاتصال بالليزر هي النطاق الترددي الكبير والسرعة العالية. عندما تكون المعدات المثبتة على القمر الصناعي متشابهة من حيث الحجم والوزن واستهلاك الطاقة، يمكن أن يكون معدل الاتصال بالليزر أسرع بـ 10 إلى 100 مرة من الاتصال التقليدي بالموجات الدقيقة.
"يشبه تردد الراديو طريقًا سريعًا عاديًا به ممرات محدودة ويسهل تشبع حركة المرور؛ أما الليزر فهو يشبه الطريق السريع متعدد الحارات، والذي يمكنه نقل كمية أكبر بكثير من البيانات في نفس الوقت." وأوضح يانغ لي، الباحث في مركز هندسة وتكنولوجيا تطبيقات الفضاء التابع للأكاديمية الصينية للعلوم، أنه على المسافة بين الأرض والقمر، يكون من الصعب للغاية الاتصال بالترددات الراديوية التقليدية لنقل فيديو عالي الوضوح أو بيانات علمية ضخمة، في حين أن الاتصال بالليزر يمكن أن يقوم بهذه المهمة بسهولة.
من المزايا الأخرى للاتصالات بالليزر أنه ليس من السهل تسريب الأسرار. يكون شعاع الليزر مركزًا بشكل خاص ولا "ينتشر" مثل موجات الراديو. ولا تنتقل الطاقة إلى كل مكان، مما يجعل من الصعب على الآخرين اعتراض الإشارة في منتصف الطريق. "الليزر يشبه المصباح اليدوي، يلمع أينما يضيء. والميكروويف يشبه إلى حد كبير بث مكبر الصوت، مع نطاق كبير، ولكن يمكن للجميع سماعه." "وقال يانغ لي بوضوح.
السؤال الثاني: ما هي المشاكل التي يجب التغلب عليها في مسافة 400000 كيلومتر من الاتصال بالليزر ثنائي الاتجاه؟
400000 كيلومتر تعادل 10 مرات حول خط استواء الأرض، ويستغرق الضوء أكثر من ثانية واحدة للانتقال من القمر إلى الأرض. لتحقيق اتصال ليزر ثنائي الاتجاه على هذه المسافة الطويلة، علينا التغلب على ثلاث عقبات: الإشارة الضعيفة، وصعوبة التصويب، وبطء الإرسال.
على الرغم من أن شعاع الليزر يتركز في اتجاه ما، إلا أنه سيظل ينتشر كثيرًا بعد السفر لمسافة 400000 كيلومتر. وعندما يصل إلى التلسكوب الأرضي، قد لا يكون لديه سوى القليل مما كان عليه عند إطلاقه، وسيصبح ضعيفًا جدًا. يجب أن يستخدم الطرف المستقبل الأرضي كاشفًا حساسًا للغاية "للتعرف" على الفوتونات الضعيفة من ضوضاء الخلفية. "ولتحقيق هذه الغاية، قمنا ببناء مصفوفة كاشف أحادية الفوتون من أسلاك متناهية الصغر فائقة التوصيل. إنها مثل "عين" حساسة للغاية يمكنها التقاط الفوتونات. لديها القليل من الضوضاء وتستجيب بسرعة كبيرة. إلى جانب خوارزمية معالجة الإشارات المطورة ذاتيًا، حتى لو كانت الإشارة ضعيفة جدًا لدرجة أنها تقريبًا "تغرق" بسبب الضوضاء، يمكن "اصطيادها" من الكثير من التداخل." قال يانغ لي.
وفي الوقت نفسه، يكون شعاع الليزر ضيقًا جدًا، وتتحرك الأرض والقمر باستمرار، كما تهتز منصة القمر الصناعي نفسها قليلاً. يجب دائمًا أن تكون المحطات الأرضية والأقمار الصناعية متوازية بدقة؛ إذا كانت متوقفة قليلاً، فقد يكون الارتباط معطلاً. قام يانغ لي بعمل تشبيه: "هذا يعادل توجيه شعاع ليزر من بكين إلى نقطة متحركة صغيرة على القمر وإبقائه مغلقًا."
مصدر الصورة: فيجوال تشاينا
ولحل هذه المشكلة، توصل فريق البحث إلى عدة طرق: أولاً، حساب مدار القمر الصناعي بدقة والتنبؤ بالموقع مسبقًا، حتى تعرف التلسكوبات الموجودة على كلا الجانبين إلى أين تشير ولن تخطئ الهدف؛ ثانيًا، تقوم المحطة الأرضية بدمج عدة أشعة ليزر في حزمة واحدة وإرسالها للخارج. ، ثم تصحيح الاتجاه في الوقت الفعلي وفقًا للتغيرات في درجة الحرارة وزاوية الارتفاع لضمان هبوط مستقر على القمر الصناعي؛ ثالثًا، يتم إجراء عزل بصري قوي عند طرفي الإرسال والاستقبال لمنع الليزر القوي المنبعث من تعمية الكاشف، بحيث لا يتداخل الاستقبال والاستقبال المتزامن للإشارات الضوئية مع بعضها البعض.
تم استلام الإشارة، ويجب الحفاظ على سرعة الإرسال. وتكمن الصعوبة في أن هذه الفوتونات لا تأتي في طابور منتظم، بل تكون متفرقة ومتقطعة. لتجميعها معًا في معلومات كاملة، يجب أن يكون الوقت دقيقًا جدًا، ودقيقًا لمستوى البيكو ثانية. ما هو مفهوم البيكو ثانية؟ جزء من تريليون من الثانية، وهو أقصر بعدد لا يحصى من المرات من الوقت الذي تستغرقه في رمش عينيك. لقد طور الفريق خصيصًا تقنية التعرف على الوقت على مستوى البيكو ثانية ومعالجة الاتصالات ذات النطاق الترددي الكبير، وهو ما يعادل تعيين "طابع زمني" فائق الدقة لكل فوتون، بحيث يمكن تجميعها معًا بسلاسة دون أي فوضى.
السؤال 3: كيف ستساعد هذه التكنولوجيا في استكشاف القمر ومهام الفضاء السحيق في المستقبل؟
"في المستقبل، سنبني محطة دولية للبحث العلمي القمري ونجري تجارب (اختبارات) علمية مختلفة عليها. وستولد هذه التجارب (الاختبارات) العلمية كميات هائلة من البيانات. ولطالما كانت كيفية نقل البيانات مرة أخرى إلى الأرض بمثابة عنق الزجاجة في الاتصالات الذي يقيد تقدم البحث العلمي. وهذا التقدم التكنولوجي له أهمية كبيرة في كسر عنق الزجاجة." وقال وانغ تشيانغ، نائب مدير مركز هندسة وتكنولوجيا التطبيقات الفضائية التابع للأكاديمية الصينية للعلوم.
والأهم من ذلك أن المسافة بين الأرض والقمر هي مجرد نقطة البداية. وقال يانغ لي إن التقنيات التي تم التحقق منها هذه المرة مثل التتبع عالي الدقة واكتشاف الإشارات الضعيفة ومعالجة إشارات الفوتون الفردي عالية السرعة يمكن توسيعها لتشمل المريخ والكويكبات وحتى المزيد من مهام الفضاء السحيق، وستدعم بشكل فعال استكشاف بلدي للفضاء السحيق لتحقيق المزيد من النتائج العلمية الأصلية.
التعليقات