为啥祝融号照片到得这么慢？地火之间能开通星际高速互联网吗？

　　千呼万唤，祝融号火星车拍摄的火星照片终于到了！祝融号火星车5月15日7时18分成功降落在火星之后，时隔好几日，到了19日才把火星上的图像传回了地球。为什么我们的火星车不能像美国的毅力号那样，一降落火星就把图像甚至视频传回来呢？
　　祝融号火星车拍摄的火星地表图片
　　简单来说，就是我们在火星地区的通信基础设施还不行，网络覆盖尚不全面，还需后续＂星星通＂工程建立起更好的星际通信网。先看看毅力号火星车的通信条件。目前美国环绕火星的卫星有：火星奥德赛号，2001年10月入轨，预计运行到2025年；火星勘测轨道器（MRO），2006年入轨；MAVEN，2014年9月入轨；
　　此外，美国还可以利用欧洲在轨运行的两颗卫星进行中继通信：火星快车，2003年12月入轨，预计运行到2026年；ExoMars TGO，2016年10月入轨；
　　火星勘测轨道器（MRO）
　　足足有五颗卫星可以用于中继通信，美国火星车在通信方面的待遇可以说相当豪华。以MRO的通信能力为例，拥有两个功率100瓦，工作在8GHz的X波段放大器，一个功率35瓦，工作在32GHz的Ka波段放大器，到地球的最大传输速率能达到5.2Mbps。毅力号火星车主要通过MRO与地球通信。MAVEN由于轨道原因，只起到备份通信星的作用，最大传输速率为2048kbps。
　　美国MRO卫星上的高增益通信天线
　　相比之下，祝融号火星车与天问一号之间的通信速率为38kbps，每天只能通信一次，每次8-10分钟而已，能传输的数据仅有20M比特。对比毅力号火星车，其与轨道器一般以256kbps的速率传输，最高能到2Mbps。这说明咱们中国火星车在通信方面还有不小差距。同样，天问一号到地球的传输速度只有4Mbps，且每天只有一半时间能与地球通信。
　　天问一号与祝融号
　　从表面上看，祝融号与地球之间的通信瓶颈，主要在火星车与中继轨道器之间。实际上，这一段的问题比较容易解决。之所以火星车到轨道器之间的链路速度慢，是火星车由于尺寸、重量的限制，难以使用大口径天线。再一个问题是供电。因为火星上电能有限，发射功率上不去，通信速度自然快不起来。
　　仔细看祝融号上的天线直径
　　未来如果能在火星轨道上像马斯克的星链那样，布放一大票小型通信卫星，则通信速率完全可以达到百兆甚至更高。当然，现在用无人火星车探测火星，对通信速率的要求并不是太高。实现这样的小卫星网，恐怕要等到十几年、二十年后，人类进行载人登火的时候，才有考虑的必要。总之，地火之间真正的通信瓶颈，实际上是在中继轨道器和地球之间，毕竟只有几兆比特每秒的速率。
　　星链
　　说到几兆每秒的通信速率，不知道大家有什么感觉？是不是又想起当年ADSL上网冲浪、静待网页打开的美好时光！在光纤入户，动辄百兆、千兆网速的时代，地火之间几兆的通信速率太让人捉急了。为什么地火之间的通信速率这么低呢？
　　克莱德·香农
　　根据香农定理，通信速率的上限只跟频带宽度与信噪比有关。由于信道编码技术的进步，比如MRO就使用了Turbo码，人们已经能达到香农定理给出的信道速率极限。因此给定信号频宽的话，限制通信速率的关键性因素就在于信噪比。不幸的是，从火星到地球，传输距离太远，近的时候也有约5500万公里，远的时候高达4亿公里，因此信号的衰减实在是太严重了。此外，信号进入地球大气层的时候，还受到各种干扰。总之，要接收从火星传来的信号，地球上普通天线是不行的，需要超级大的锅。
　　北京密云50米口径天线
　　为了支持探月和探火工程，中国建立了深空测控网。比如北京密云的天线口径达到了50米。刚刚于今年二月完工的天津武清的70米口径天线，是亚洲最大的航天信号接收天线，已经用于接收天问一号回传数据。
　　天津武清70米口径天线
　　这么说来，为了实现地火通信，航天科研人员已经很拼啦，好不容易才弄出几兆这样的速率。那么到底有没有好的办法，在地火之间搭起星际高速互联网，实现百兆、千兆甚至更高的通信速度呢？
　　地火通信
　　办法当然是有的，那就是使用激光通信技术，在太空中布置中继卫星网络，实现太空光纤高速互联网。我们都知道，使用激光，能轻松实现上百Gbps的通信速率。在太空中，激光几乎没有衰减，因此连光纤都不需要了，节省了巨额布线成本。当然，太空激光通信的主要问题是在远距离上激光束的扩散要小，并且收发器之间能够互相对准。
　　NASA DSOC计划概念图
　　NASA正在进行一个名为＂深空光通信＂，简称DSOC，的深空光通信计划。该计划的目的是要在地火之间实现超过百兆的传输速率。DSOC第一个实验项目将通过2022年份发射的＂灵神星任务＂进行。
　　灵神星任务
　　灵神星任务将探测著名的小行星灵神星，据说它的价值是1后面有19个0美元。这么值钱的原因：灵神星是一个M型小行星，也就是说，它主要由金属组成，可能是一颗行星被撞碎之后留下的内核。在灵神星太空船上，将安装一个激光器，工作在1.55微米，激光功率为4瓦，与位于美国加州的JPL实验室建立连接。预计在距离地球6000万公里时，能实现292kbps的通信速率。
　　灵神星艺术想象图
　　当然，这只是一次概念性技术验证，数据率并不高。除了这次实验激光的发射功率较低，激光在穿过大气层时会有比较大的衰减。更好的办法是直接在太空中建立光通信链路，数据再由地球附近的卫星传回地面，能进一步提升通信速率。
　　中继通信卫星网
　　2018年，我国科研人员还提出，在地火之间放置6颗中继通信卫星，通过这六颗卫星实现地球、火星甚至金星之间的完整覆盖。总之，在人类走向星辰大海之际，通信网建设已经不再局限于地球了。在不远的将来，太阳系内将建立起通信卫星网络。届时从地球到火星，实现高速通信不是梦。
　　#全能创作家##祝融号传回火星照片 NASA再次祝贺#