太空中的互联网:火星上有网吗?

2019 年09 月26日

现在,几乎在地球上的任何一个角落都能连上因特网,这个范围绝不局限于地球表面。在飞机上使用网络服务已经不是什么新鲜事,甚至在国际空间站都能上网。太空探索机构已经做好准备将太阳系的其他星球全部接入网络。除了工作需要,太空网络还能让处在太空之中远离地球的漫游者们与家人保持联系。这篇文章将揭晓太空网络是如何运作的,以及它未来的发展方向。

国际空间站里的万维网

在2010年,国际空间站的工作人员首次在太空访问了互联网。访问服务由NASA提供,宇航员使用远程桌面模式通过卫星线路连接到休斯顿的一台电脑,再由这台电脑接入互联网。这种上网方式虽然有些麻烦,但安全很多,哪怕国际空间站的工作人员不小心打开了恶意链接或恶意文件,也只会影响到地球上的这台电脑。

NASA的宇航员T.J.Creamer发布了第一条来自太空的推文,以此纪念互联网接入国际空间站。

俄罗斯太空网络

国际空间站很快将会有更多网络供应商:俄罗斯也计划通过Luch中继卫星的网络尽快将他们的空间站连接入网,目前该卫星正在升级中。

去年,宇航员Alexander Misurkin和Anton Shkaplerov升级了国际空间站的天线,使其能够接收大量的卫星数据。同时他们还创下了新的俄罗斯人最长太空行走记录,在舱外工作了8小时12分钟。

据俄罗斯航天局发言人、宇航员Sergey Krikalev表示,新设备已经通过测试,国际空间站很快就能通过Luch卫星联网。

与卫星相关的问题

当然,国际空间站的网络不可能像你家里的网络一样快速无延迟。与有线技术相比,卫星通信有它独特的优势,像是能够在无法使用电缆的情况下提供网络,但它也存在一定的问题与挑战。

Ping值高,速度慢

国际空间站的轨道高度在400千米(约250英里)左右,但数据要走过更长的距离才能传到地球。首先,国际空间站需要将信号发送到距地面35786千米(22000英里)的中继卫星上,只有从那里它才能继续传到与太空通信的地面站。

因此,从国际空间站发出信号到收到响应,数据需要经过约15万千米,近10万英里的距离。显然需要一定的时间。据NASA员工表示,与国际空间站进行数据交换的传输延迟约为半秒,大概是用电缆连接传输延迟的20倍。

卫星线路不仅被用于连接入网,还需要向任务控制中心传输大量的科学数据以及视频内容(在地面的同事将视频放到网上,让大众了解国际空间站上的生活以及太空景观)。地球与国际空间站之间的电话、视频会议也都要用到同一个卫星线路。

所以,只有一小部分带宽能够被用于发送推文、浏览网页。此外,尽管卫星线路下行网速达300Mbps,它的上行速度被限制在了25Mbps。就速度而言,国际空间站的网络大概也就能和古早的调制解调器相比。

最重要的是,空间站每隔一段时间就会离开卫星的覆盖范围。国际空间站绕地球一周需要1.5小时,每绕一圈就有15分钟不在卫星覆盖范围之内

有限的燃料

卫星需要以与地球自转相同的速度围绕它公转,确保它与地球的相对位置保持不变,来维持稳定持续的通信。然而,为了避免卫星脱离轨道失去联络,必须时不时地进行调整,需要使用推进燃料来帮助完成修正。但卫星不像汽车或飞机,没法直接飞回地球加油。

为了解决这一问题,全球的各大公司都在研究直接在太空中给卫星补充燃料的方法。加拿大麦克唐纳·迪特维利联合有限公司(MDA)公司、英国与以色列合作成立的太空公司Effective Space设计了直接将推进剂送入空间站轨道的系统,并在国际空间站美国站进行了测试。欧洲航天局(ESA)发明了一种引擎,能够从地球上层大气中汲取空气分子作为推进剂。

电力供应短缺

推进剂的部分问题可以通过电力来解决,减少燃油消耗,且能够通过太阳能电池板再获取电能。在与地球及其他航天器通信的过程中也需要用到电力。但地球有时会遮住太阳,卫星无法获取太阳能,只能靠容量有限的电池维持工作

俄罗斯科学家提出了一种解决方案,开发一种能从太阳辐射和来自地球的无线电中获取电能的机器人,在轨道上设置几十个这样的机器人,及时为电量耗尽的卫星充电。这项技术能够将航天器的使用寿命延长1.5倍,同时还能减轻航天器重量,减少不必要的电池以及太阳能电池板。

温度过高

空间中继器和中继卫星常常以满负荷的状态进行工作,因而面临温度过高发烫的问题。由于太空中没有空气,就无法像在地面上一样,使用类似电脑风扇的方法来降低温度。所以,尽管太空中比地球表面冷得多,但如何在太空中散热却成为了更严重更具挑战性的问题。

航天器所使用的大型散热器将热量转化为辐射以解决温度过高的问题。卫星的功率越大,所需要的散热器也就越大。因此,为了解决功率高达25千瓦的新一代通信卫星的散热问题,研究人员制造了一个尺寸为4*1米的大型散热器

宇宙射线

宇宙射线会破坏一切电子设备。在地球上有磁场和大气层能够保护免受宇宙射线的破坏。但在太空中并不存在这样的保护措施,因此航天器所使用的全部电子元件都是以能够抵御辐射的标准来制造的。尽管如此,辐射对卫星来说依旧是一个严峻的问题。

据宇航员Pavel Vinogradov称,尽管国际空间站的模块受到很好的保护,但在国际空间站里的电脑很快就会无法正常使用照相机也面临相同的问题,相机上很快就会布满坏点。此外,辐射还会严重干扰卫星传输的信号,有可能导致空间站内设备的某些存储模块损坏。

辐射与加密

受辐射影响,地球与大部分航天器之间的通信是不加密的。因为一旦辐射损坏了用于存储加密密钥的区域,那么通信就无法继续进行了。

对国际空间站用来上网的中继卫星来说,这个问题没有这么严重,它们或多或少都受到了保护。然而,对其他绕地球运行的航天器来说,情况就不一样了。

未经加密是一个非常棘手的问题。和地球上的电脑一样,卫星也是网络犯罪分子的潜在攻击对象。ESA近期发起了一项研究,希望能够改变这种局面。研究人员尝试了两种方法与卫星进行可靠的加密通信,并将价格控制在合理范围内。

  1. 将备用基本密钥直接焊到硬件里。如果主密钥被破坏,系统能够很快地基于备用密钥生成一个新的密钥。然而,这样的密钥数量是有限的。
  2. 使用多个相同的微处理器核心。有任何一个出现问题,马上可以由另外的核心介入。同时,出现故障的核心重新载入其配置并自行修复。

用于测试以上方案的设备在2019年4月已经发射到国际空间站,预计将连续运行至少一年的时间。设备基于标准的树莓派Raspberry Pi Zero迷你计算机开发,因此成本相对较低。

然而,对已经发射到太空中的系统进行升级是一项非常困难的工作,因此在未来的几年内,与卫星通信的安全性很难有进一步的提升。

火星网络

当一些研究人员忙于改善卫星的保护方式和传输带宽时,另一部分人正在考虑创造一个星际互联网。尽管规模完全不同,在很多方面,他们的问题与国际空间站宇航员所面临的问题是相似的。

举个例子,根据火星相对地球的位置,信号需要经过3到22分钟才能到达火星。这比国际空间站的半秒延迟要糟得多了。除此之外,由于太阳会夹在地球和火星之间,每两年中有两周的时间,地球与火星之间的直接通信会被中断

太空互联网还有一些独特的特性,网络的所有节点都在不断地移动。这种情况下导致完全无法应用地面的互联网技术,因此科学家提出了更多的方案,使地球、月球、火星以及其他星球之间的通信成为可能。如下:

  1. 新的数据传输协议。以NASA的延迟/中断容忍网络(DTN)数据传输解决方案为例,这一协议用于处理长时间的延迟、高错误率以及频繁的无法访问节点问题。根据这一模型,中间节点(如卫星)会存储数据,直到能够将数据传输到下一个节点。
  2. 放弃目前基于无线电的卫星通信,转而采用光学(如激光)数据传输技术。首先,光通信能提供的带宽要大得多。其次,光学信号发射器和接收器更小,需要的电力更少,这对任何中继卫星来说都是重要资源。
  3. 改变卫星分布位置,使其能够围绕太阳传输信号。这种情况下,即便地球和火星(或其他任何星球)处在恒星的两侧也能够传输信息。

未来就在眼前

正如前文提到,和火星、月球居民共用社交网络、进行视频会议等都不像以往那样遥不可及了。当然,人类要想把互联网发展到外太空还有很长的路要走,但我们早已迈出了第一步。