深空激光通信從驗證走向實用：O2O任務對月球門戶和火星通信的啟示

2026年4月1日，SLS火箭從肯尼迪航天中心39B發射臺升空，將獵戶座飛船及四名宇航員送往月球方向。這次飛行不只是對火箭和飛船的考驗——在獵戶座飛向月球的10天里，一套全新的通信系統也在經歷它的首次深空實戰：獵戶座光學通信系統（Orion Artemis II Optical Communications System），簡稱O2O。

獵戶座阿爾忒彌斯II光通信系統

via. NASA

這篇文章來聊聊獵戶座飛船上這套用激光和地球通信的核心系統。它為什么被裝上飛船？怎么做到在40萬公里外向地球傳回高清視頻？它對深空探測意味著什么？

深空通信的老問題：數據下不來

要理解O2O的價值，先要理解一個困擾深空任務幾十年的瓶頸：數據傳輸速率太低。

DSN大型天線分布圖

via. NASA

自阿波羅時代以來，人類與深空航天器之間的通信幾乎完全依賴無線電波——S頻段、X頻段、Ka頻段。NASA的深空網絡（DSN）由分布在美國戈德斯通、西班牙馬德里和澳大利亞堪培拉的三處大型天線陣列組成，配備34米和70米口徑的巨型拋物面天線，負責對太陽系內超過40個航天器進行全天候跟蹤和通信。這套系統支撐了半個世紀的深空探測，但它的帶寬已經高度飽和。

阿爾忒彌斯II任務讓這個問題變得尤其尖銳。獵戶座飛船在約10天的飛行中，預計產生300至400 GB以上的數據——高分辨率圖像、4K視頻、遙測信息、開發飛行儀器診斷數據。如果僅靠飛船上傳統的S頻段天線，在月球距離上的下行速率約為1至6 Mbps。按這個速率，全天24小時不間斷傳輸，也只能傳回約7 GB的數據。絕大部分數據將被迫留在飛船本地存儲中，等濺落后再慢慢導出。

對于一次需要實時決策的載人深空任務來說，這是不可接受的。

O2O是什么：一組關鍵參數

O2O的核心思路很直接：用紅外激光替代無線電波來傳輸數據。

激光的波長遠短于無線電波，頻率極高，能夠在極小的尺寸、重量和功耗條件下，將更多的數據打包進單一傳輸鏈路。以下是O2O系統的幾組關鍵參數：

下行鏈路峰值速率：260 Mbps

下行鏈路標稱速率：80 Mbps

上行鏈路最大速率：20 Mbps

系統總質量：約30.7公斤

系統總功耗：約90瓦

工作波長：1550納米（光學C波段）

這里需要解釋一下260 Mbps和80 Mbps的區別，避免上篇文章的一些歧義表述。260 Mbps是系統的峰值能力，在鏈路條件最優時可以達到；80 Mbps是標稱運行速率，是任務規劃中的常態工作點。按80 Mbps標稱速率運行1小時，可傳回約36 GB數據；按260 Mbps峰值速率運行1小時，可傳回約117 GB數據。作為對比，傳統S頻段全天24小時不間斷傳輸僅能傳回約7 GB。即使以80 Mbps標稱速率計算，O2O每小時的吞吐量也是S頻段全天總量的五倍以上。

與此同時，O2O的系統總質量僅為傳統S頻段射頻系統的一半（約30.7公斤），功耗降低約25%（約90瓦）。更輕、更省電、速率高出數十倍至數百倍——這就是光子相比無線電波在物理層面的優勢。

技術人員正在組裝阿爾忒彌斯二號任務的光通信系統

via. NASA

定位：不是替代，而是并行

需要強調的是，O2O在阿爾忒彌斯II任務中的角色是DTO（Development Test Objective，開發測試目標），而非關鍵任務路徑。

這個定位是刻意的。激光通信極易受到地球大氣湍流、云層遮蔽和航天器微小指向抖動的影響，將一項尚未經過深空實戰檢驗的技術直接作為載人任務的唯一通信手段，風險顯然太高。因此，在整個任務周期內，獵戶座飛船的生命體征下行、軌道遙測和語音通話，依然由傳統的S頻段和Ka頻段無線電鏈路保障。O2O在這套冗余的射頻骨干網之上并行運行，專門承擔那些傳統無線電波無力勝任的"重負荷"任務：大容量文件的雙向高速傳輸、高清視頻流媒體直播、多方視頻會議、海量診斷數據的快速下行。

這種并行架構的好處是，工程師可以在不危及乘組安全的前提下，充分測試光學通信的極限性能。DTO成功與否，不與任務的核心成功標準綁定。但它的實戰數據，將直接決定未來月球門戶空間站和火星任務是否全面采用激光寬帶。

技術人員正在組裝阿爾忒彌斯二號任務的光通信系統

via. NASA

空間終端：30公斤里裝了什么

O2O的空間終端由MIT林肯實驗室和NASA戈達德太空飛行中心聯合研發，核心載荷稱為MAScOT（直譯過來是：模塊化、敏捷、可擴展光學終端）。

O2O由一個萬向節（上盒）

和一個后端光學組件（下盒）組成

via. MIT林肯實驗室

這套系統并沒有采用整體式設計，而是將子系統分布在獵戶座飛船乘員艙適配器（CMA）上的三個獨立區域。CMA是連接乘員艙和歐洲服務艙的環形結構，是電力、數據和流體管線的神經中樞。分布式布局既隔離了發射時的劇烈震動，又優化了散熱路徑。

光學模塊

安裝在CMA外部，包含一臺口徑約100毫米的折射望遠鏡和配套的雙軸萬向節。這是系統最外顯的部分，負責激光的發射與接收。

控制器電子模塊

同樣在CMA外部，內置于飛船航電系統對接的計算機，以及控制望遠鏡精確指向的接口電子設備。兩大外部模塊均配備獨立的減震隔離系統，以抵御SLS火箭升空時的極限發射載荷。

內壁組件

位于CMA內部的減震托盤上，包含調制解調器模塊和電源轉換單元。安置在內部主要是為了獲得更好的熱耦合性能——高功率激光放大器需要在宇宙極寒與極熱交替的環境中保持穩定的工作溫度。

其中調制解調器是系統的心臟。由CACI公司設計制造的這臺飛行件，實測質量僅11.36公斤，體積控制在約27×34×20厘米之內，功耗嚴格限制在62瓦以內。它接收飛船總線電源，內部轉化為多條直流電壓軌驅動發射板和接收板——在這樣的尺寸和功耗下實現深空級別的高速下行能力，工程密度極高。

獵戶座飛船艙體上面搭載了

獵戶座阿爾忒彌斯II光通信系統

via. MIT林肯實驗室

瞄準難題：40萬公里外的針眼

光通信相比射頻通信，最大的工程挑戰在于瞄準。

無線電波可以相對寬泛地覆蓋一片區域，但紅外激光的光束發散角極小。O2O的波束寬度僅為1至100微弧度——1微弧度的精度相當于從1公里外命中一個直徑1毫米的目標。在月球距離上，激光束到達地球時的光斑直徑只有數百米。(小編注：這個從公開報道中獲得的數據是數百米，但是直播中技術專家說有一公里，后續持續復核中）飛船上任何微小的震動——宇航員在艙內的活動、生命維持系統冷卻泵的運轉——都可能導致光束偏離地面接收站。

O2O為此采用了兩級伺服穩定機制。首先，地面站持續向獵戶座飛船發射經調制的信標激光。飛船上的雙軸萬向節接收信標后，完成第一階段的粗瞄準。隨后，光學模塊內部的快速轉向反射鏡接管控制，以毫秒級響應速度實時補償各種微小擾動，將激光束鎖定在地面接收站上。萬向節由AeroVironment公司提供，整套瞄準機制的精度要求在亞微弧度級別。

一個值得注意的物理特性是，O2O選擇了1550納米波長工作。這個波長處于地球大氣層的透明窗口，大氣吸收和散射相對較弱。同時，1550納米屬于人眼安全波長——該波長的光子在到達視網膜前就會被角膜和晶狀體吸收，因此地面站可以向太空發射高達數十瓦的上行信標激光，不必擔心對商業航空器或地面人員造成視力損傷。而且，1550納米恰好是地面商用光纖通信的主力波段，NASA可以直接利用成熟的商用供應鏈，降低成本并提高元器件可靠性。

調制編碼：在光子極度匱乏中榨取信息

激光在40萬公里的傳播中，信號強度按距離平方衰減。離開望遠鏡的激光束到達地球時，光斑已擴散至很大范圍，地面望遠鏡只能捕獲其中極微小比例的光子。在這種光子極度匱乏的環境下，地面光纖通信中常用的相位調制或正交調幅方案會變得極度低效。

O2O采用的是PPM。具體而言，系統遵循空間數據系統咨詢委員會制定的國際標準，使用串行級聯脈沖位置調制技術。這種調制方式不通過改變激光的強度或相位來傳遞信息，而是將時間劃分為極微小的時隙，在一組時隙中僅在一個特定時隙點亮激光脈沖。O2O對PPM16和PPM32格式進行了優化，在250 MHz和500 MHz時隙速率下，單個光子脈沖可攜帶4位或5位信息。

SCPPM中的串行級聯指的是前向糾錯機制。激光穿透大氣層時，湍流會導致信號發生毫秒級閃爍。SCPPM采用可配置的數據交織器，將數據在時間序列上打散傳輸，即使地面探測器遺漏了部分光子，系統也能在算法層面將殘缺的脈沖重新拼湊為完整數據。

在發射端，調制解調器采用主振蕩器功率放大器架構。一個超低噪聲的半導體激光器產生低功率種子信號，隨后經摻鉺-鐿共摻雜光纖放大器逐級放大至最高1瓦特的平均激光功率用于下行傳輸。放大器內部設計了高冗余度的泵浦備用機制，以應對宇宙射線可能造成的硬件失效。

地面站：氣象和地球自轉的雙重挑戰

太空終端再先進，如果地面沒有可靠的接收站，帶寬也將歸零。與能穿透云層的無線電波不同，紅外激光對天氣極為敏感——云層、降水、懸浮顆粒和大氣湍流都會對激光造成嚴重干擾。O2O的地面段設計，核心就在于獲取"氣象豁免權"。

在美國本土，NASA部署了兩座核心光學地面站：

新墨西哥州白沙綜合體——位于干旱荒漠，是O2O地面網絡的中樞。白沙站的上行發射機采用了空間分集架構：由四臺口徑約15.4厘米的折射望遠鏡組成陣列，共同安置在雙軸萬向支架內，每臺發射最高10瓦光功率，四束光在遠場合成一個波束射向月球。這樣設計的核心目的是抑制大氣湍流——四束光穿越不同的大氣氣團，遭遇的折射和衰落互不相關，疊加后閃爍效應在概率上被平滑抵消。

加利福尼亞州桌山設施——由JPL運營，位于南加州高山上，依托一臺1米口徑的大型反射望遠鏡，采用折軸光路配置。巨大的孔徑提供了極強的集光能力，負責接收從月球傳回的微弱光子。

位于澳大利亞堪培拉斯特羅姆洛山天文臺的

量子光學地面站

via. NASA

位于美國新墨西哥州拉斯克魯塞斯市

美國宇航局白沙綜合設施的O2O地面終端

via. NASA

但僅靠北美的站點還遠遠不夠。地球在自轉，如果地面站只集中在一個大陸，每天將有十幾個小時的通信盲區。NASA正在推進的LEGS計劃，目標是在全球范圍均勻分布通信節點。在射頻方面，LEGS將在白沙、南非馬特耶斯方丹和澳大利亞部署三座18米級天線，呈120度均勻分布。在光學方面，澳大利亞國立大學在斯特羅姆洛山天文臺建設的量子光學地面站，在本次任務中已承擔了接收O2O下行信號的任務，并成功實現了260 Mbps峰值速率的數據解碼。

值得關注的是，美澳聯合團隊正在驗證利用低成本商用現貨組件搭建深空光學地面站的可行性。如果這條路徑走通，光學地面站的建設成本將大幅下降，有望吸引商業資本進入深空通信基礎設施領域。

實戰表現：數據傳輸能力的代際跨越

O2O在阿爾忒彌斯II任務中展示的性能，直觀地體現在數據吞吐量上。

260 Mbps的峰值下行速率，放在地面5G網絡中不算出眾。但在距地球40萬公里、光子寥寥無幾的深空中，這是一個驚人的數字。阿波羅時代統一S波段系統的高速遙測速率為51.2 kbps，O2O峰值速率是其約5000倍——接近四個數量級的跨越。

O2O具備在峰值速率下傳輸4K視頻的能力，任務期間也進行了4K傳輸測試。但在日常運行中，考慮到帶寬需要在遙測、飛行計劃、科學數據和視頻之間分配，O2O主要支持標清和高清實時視頻流。大量4K原始素材通過存儲卡在飛船濺落后物理回收。

即便如此，O2O仍是帶來了質變。宇航員可以與地球上的家人進行高清視頻通話。如果發生緊急醫療事件，地面醫療專家可以通過高清影像進行遠程會診。飛船遍布全身的開發飛行儀器采集到的熱力學、應力和輻射診斷數據，可以在幾分鐘內傳回休斯頓約翰遜航天中心的工程師手中。

NASA在任務第四天（飛船繞過月球背面并開始返程的關鍵節點）確認，O2O已累計向地球傳回超過100 GB的數據。截至4月10日任務結束，通過O2O下行的數據總量超過400 GB——這些數據如果僅靠S頻段傳輸，需要將近兩個月。

O2O在NASA光通信版圖中的位置

O2O不是NASA的第一次空間激光通信嘗試，但它填補了一個關鍵的距離區間。

2021年發射的激光通信中繼演示（LCRD），運行在距地球約35000公里的地球同步軌道上。2023年，國際空間站安裝了ILLUMA-T終端，以高達1.2 Gbps的速率將數據發送給LCRD衛星，再由后者中繼回地球。這套系統解決的是近地軌道的中繼拓撲問題。

同在2023年發射的靈神星探測器上搭載了深空光學通信（DSOC）實驗，則走向了另一個極端。靈神星的目標是一顆距地球遠達數億公里的小行星。在距地球超過3.7億公里（約2.68天文單位）的深空中，DSOC依然成功解碼了8.33 Mbps的數據流。O2O和DSOC在底層物理學上高度相似——都采用脈沖位置調制，地面接收端都使用超導納米線單光子探測器（SNSPD）——但任務尺度有天壤之別。

三個項目各自占據一個距離區間：ILLUMA-T負責近地中繼，O2O鞏固地月空間的大容量骨干鏈路，DSOC則向火星乃至更遠的深空拓荒。O2O的核心光學總成MAScOT直接繼承了ILLUMA-T的驗證成果，證明了模塊化光學終端可以跨越不同軌道距離進行擴展。

激光通信核心組件大有可為

O2O是一次定義明確的技術驗證。它沒有被賦予成敗攸關的壓力，但它攜帶的意義遠超一套30公斤的系統本身。

從實用層面看，O2O的寬帶能力直接緩解了深空網絡長期面臨的帶寬飽和問題。將高清視頻、大容量診斷數據等高帶寬負荷卸載到激光鏈路上，釋放出傳統射頻頻段去服務日益龐大的無人探測器隊列。射頻與激光不是替代關系，而是互補共生。

從安全層面看，激光的極窄波束帶來了天然的通信安全性。傳統射頻信號呈扇形擴散，到達地球時信號足跡可能覆蓋整個大陸；O2O的激光束發散角僅有幾微弧度，信號能量被物理隔離在地面接收站周邊極小的范圍內。

從產業層面看，O2O完全遵循CCSDS的SCPPM國際標準，選擇1550納米商用波段，地面站驗證COTS組件的可行性——每一步都在降低門檻、做大生態。如果阿爾忒彌斯II的實戰數據證明這條路徑成立，激光通信從實驗室走向深空基礎設施的產業化進程將明顯加速。

當然，挑戰同樣不容回避。激光通信受天氣影響大，云層遮蔽下鏈路會中斷，這是射頻通信不存在的問題。地面站的全球布網尚在早期階段，南半球覆蓋仍然薄弱。從DTO到正式的任務關鍵路徑，O2O還有相當長的路要走。

但方向已經很清楚了。這種清晰不僅屬于深空。以SpaceX為代表的低軌星座已經證明，衛星之間的激光鏈路是構建空間互聯網的生命線；而同樣不可忽視的是，星地之間的激光通信，更是數據真正落地的咽喉——沒有高速下行通道，星座的帶寬優勢便始終困在天上。O2O在月地距離上驗證的能力，與低軌星地鏈路的技術訴求一脈相承：窄波束、高帶寬、物理安全。半個多世紀，從阿波羅時代的每秒51.2千比特，到阿爾忒彌斯II的峰值每秒2.6億比特，從無線電波到紅外光子，深空通信的代際跨越正在真實發生，而它掀起的波瀾，正同步涌向近地軌道，涌向每一束穿過大氣層的光。

>End

本文轉載自“叁井瘦”，原標題《從月球打回地球的激光：解讀阿爾忒彌斯II的O2O激光通信》。

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