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環(huán)球報道:在月球建設(shè)4G網(wǎng)絡(luò),要解決哪些問題

時間:2023-05-09 13:50:47    來源:科普中國網(wǎng)    

近日,諾基亞公司首次公開展示了其將在月球上部署的首個4G通信網(wǎng)絡(luò)的原型設(shè)備。根據(jù)計劃,該公司將在2023年底使用SpaceX公司的火箭把4G網(wǎng)絡(luò)帶到月球表面進(jìn)行試驗通信,目的是為人類更好地探測月球和火星打下基礎(chǔ)。那么,在月球上建設(shè)4G網(wǎng)絡(luò)有哪些特點呢?

滿足未來月球基地需求


(資料圖片)

2020年10月,美國宇航局宣布和諾基亞公司合作,授予該公司1410萬美元合同,建設(shè)一個可以在月球上使用的4G蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)。月球4G網(wǎng)絡(luò)是美國宇航局臨界點選拔項目的一部分,目的是滿足美國宇航局對建設(shè)月球基地的需要。

諾基亞公司發(fā)布的月球4G網(wǎng)絡(luò)通信示意圖。

上世紀(jì)60年代,美國宇航局實施的“阿波羅”計劃就成功將航天員送上月球表面,現(xiàn)在依托美國宇航局深空網(wǎng)進(jìn)行通信的深空探測器也不在少數(shù),那為什么美國宇航局還要在月球建設(shè)4G網(wǎng)絡(luò)呢?

從目前來看,雖然美國有20多個深空探測器在太空中運行,但相距遙遠(yuǎn),相互之間通信需求很少。

2017年,美國宣布重返月球,也就是2020年正式命名為“阿爾忒彌斯”的登月計劃。美國不但要開展大規(guī)模的月球探測任務(wù),而且會建造永久性月球基地,并部署諸多著陸器、月球車等設(shè)備。

這些月球探測器分布在月球基地周圍且相距不遠(yuǎn),如果這些探測器都獨自和深空網(wǎng)通信,不僅加重了深空網(wǎng)的負(fù)擔(dān),還要攜帶能與地球聯(lián)系的通信載荷,整體架構(gòu)不但不合理,而且不利于通信。因此,對“阿爾忒彌斯”計劃來說,合理的選擇就是架設(shè)一個無線網(wǎng)絡(luò),并將月球基地的各種探測器接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交流。

不過,美國宇航局的做法并非新鮮事物,國際空間站上早就架設(shè)了無線WiFi,中國天宮空間站的核心艙和實驗艙也裝有WiFi系統(tǒng),便于航天員進(jìn)行艙內(nèi)通信。

由于空間站的尺寸不大,試驗通信距離近的WiFi系統(tǒng)就能滿足需求,但未來人類建造的月球基地會很大,探測器之間的距離可達(dá)數(shù)公里,因此必須使用4G等遠(yuǎn)距離通信技術(shù)。

或許有人會問,為什么不直接用更先進(jìn)的5G呢?雖然2020年美國宇航局才與諾基亞公司簽訂合同,但諾基亞公司在2018年就開始研制月球無線網(wǎng)絡(luò),那時的5G網(wǎng)絡(luò)還不夠成熟,月球+5G網(wǎng)絡(luò)一步到位的技術(shù)跨度和風(fēng)險太大,而且5G網(wǎng)絡(luò)的大帶寬等優(yōu)勢又發(fā)揮不出來,為穩(wěn)妥起見,只好選擇研制月球4G網(wǎng)絡(luò)。

要經(jīng)受住環(huán)境考驗

近年來,雖然5G網(wǎng)絡(luò)出盡了風(fēng)頭,但地面上使用的網(wǎng)絡(luò)仍然以4G為主。那么,在月球上使用的4G網(wǎng)絡(luò)和我們常用的4G網(wǎng)絡(luò)有什么不同?具體需要注意哪些問題?

建設(shè)4G網(wǎng)絡(luò)的美國探測器著陸月面示意圖。

根據(jù)諾基亞公司的聲明,該公司旗下的貝爾實驗室負(fù)責(zé)承擔(dān)建設(shè)月球4G網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)。如果單看通信部分的實現(xiàn),月球4G網(wǎng)絡(luò)實際上就是把地面成熟可靠的4G網(wǎng)絡(luò)搬上月球,但由于月球表面的惡劣環(huán)境,以及探測器發(fā)射和著陸等過程的考驗,月球4G網(wǎng)絡(luò)將是一個超緊湊、空間加固和低功耗的解決方案。

具體地說,諾基亞公司的月球4G網(wǎng)絡(luò)將集成到直覺機(jī)器公司研制的Nova-C小型著陸器上,它包括一套具備核心網(wǎng)功能的4G基站和4G通信終端。諾基亞公司表示,發(fā)射到月球表面的4G網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過了專門設(shè)計,以滿足Nova-C著陸器的尺寸、重量和功率限制。同時,該通信網(wǎng)絡(luò)還具備承受火箭發(fā)射、地月飛行、月球著陸和月球表面的惡劣條件,能在各種極端嚴(yán)酷的條件下穩(wěn)定運行。

為在月球表面部署并提供通信覆蓋,月面4G基站必須盡可能地減少尺寸重量和功耗,比如Nova-C著陸器只能攜帶100公斤載荷登上月面,提供的總功率也只有200瓦。

著陸器上的月球4G基站不僅要承受火箭發(fā)射時的加速、沖擊和振動,還要經(jīng)受太空中極端溫差的考驗。由于月球表面沒有空氣,地面4G基站的空氣冷卻等散熱方案都無法使用,因此,月面4G基站必須通過輻射冷卻方式,整合特殊的輻射散熱系統(tǒng)??紤]到月面晝間溫度超過120攝氏度,白晝持續(xù)時間約半個月,如果月面4G基站不采用特殊材料,散熱系統(tǒng)很難經(jīng)受得住月面的高溫考驗。

總之,月球4G網(wǎng)絡(luò)要想在極端惡劣的月面工作,必須采用特殊設(shè)計,因此,如何應(yīng)對月面環(huán)境的挑戰(zhàn),是月球4G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與地面4G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的最大不同。

助力未來深空探測

如今,地球上的4G基站技術(shù)已經(jīng)非常成熟,但月球上實用的4G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)還面臨著重重困難和挑戰(zhàn)。諾基亞公司為構(gòu)建月球4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了大量的研制工作和模擬測試,例如,將原型基站放到離心機(jī)和振動臺上,模擬加速和振動;為降低基站重量,濾波器使用了新的陶瓷材料;月面的向陽面和背陽面的溫差超過100攝氏度,基站天線也進(jìn)行了專門強(qiáng)化;基站不但采取了特殊的散熱措施,而且控制軟件也為月球環(huán)境進(jìn)行了優(yōu)化。

月球車驗證4G網(wǎng)絡(luò)通信示意圖。

盡管在月球上建設(shè)4G網(wǎng)絡(luò)存在大量挑戰(zhàn),但諾基亞公司已經(jīng)基本完成了月球4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研發(fā),其設(shè)備將在今年底搭乘IM-2任務(wù)前往月球。IM-2任務(wù)的Nova-C著陸器將在月球南極沙克爾頓山附近著陸,它帶有專門驗證4G網(wǎng)絡(luò)的月球車,并將在月晝期間進(jìn)行4G網(wǎng)絡(luò)測試任務(wù)。

按照計劃,Nova-C著陸器降落在月球上后,將釋放月球車并啟動4G網(wǎng)絡(luò),建立兩者間的雙向?qū)崟r通信。月球車將通過4G網(wǎng)絡(luò)鏈路向著陸器的基站發(fā)送實時視頻數(shù)據(jù),先測試百米級近距離通信,月球車隨后將逐漸走遠(yuǎn),拉大距離,測試2~3公里的遠(yuǎn)距離通信。諾基亞公司表示,其研制的月球4G基站具備支持最遠(yuǎn)5公里距離的通信。

如果諾基亞公司的月球4G網(wǎng)絡(luò)測試成功,意味著在月球上可以直接移植商用成熟貨架技術(shù),對人類的深空探測具有重大意義。

另外,月球4G網(wǎng)絡(luò)能支持著陸器、月球車、居住艙和航天員之間的實時通信,通過實時視頻實現(xiàn)對月球車等探測設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

月球4G網(wǎng)絡(luò)的試驗,將在通信系統(tǒng)上為“阿爾忒彌斯”計劃的月球基地做好充分準(zhǔn)備。隨著通信技術(shù)的發(fā)展,月球4G網(wǎng)絡(luò)也將進(jìn)一步升級或更新為5G網(wǎng)絡(luò),為人類月球探測和更遙遠(yuǎn)的火星科學(xué)任務(wù)作出更多貢獻(xiàn)。

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