为什么今天的月球飞掠只能传回低分辨率视频?

问AI · 光通信系统在月球飞掠时为何无法提供高清画面?

“不要指望高清视频。”


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一张灰色月球置于黑色太空背景下的像素化照片,这张照片是阿尔忒弥斯2号任务第四天由机组成员拍摄的月球照片的夸张像素化版本,进行了夸张处理。以南极在顶部的方向展示,并开始看到月球背面的部分区域,这种像素化效果模拟了观众今天将看到的低分辨率视频画面。



随着阿尔忒弥斯二号任务完成月球飞掠,人类在半个多世纪以来首次以第一人称视角近距离观察月球。


周一,四名宇航员将花费约七个小时观察月球背面,即始终背对地球的那一半。当里德·怀斯曼(Reid Wiseman)、维克多·格洛弗(Victor Glover)和克里斯蒂娜·科赫(Christina Koch)(均来自NASA)以及加拿大航天局的杰里米·汉森(Jeremy Hansen)乘坐他们的“猎户座”飞船“坚韧号”(Integrity)到达最近点时,他们将位于月球表面上方约6,400公里处。上一次有人类如此接近月球还是在1972年的阿波罗17号任务期间。


虽然阿尔忒弥斯2号机组观察的主要目的是推进科学家对月球地质学的理解,但毫无疑问,这也具有观赏和激励人心的意义。

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这次月球飞掠预计将吸引地球上数百万人观看,尽管任何画面都会令人印象深刻,但也可能让许多人感到意犹未尽。


“在飞掠期间,我们将接收SAW(太阳能电池阵列翼)相机的视频流,当然,当飞船进入月球背面信号丢失期间除外,”NASA阿尔忒弥斯科学飞行操作主管凯尔西·杨(Kelsey Young)在飞掠前的新闻发布会上说,“其余时间他们将在船上进行录制。”


SAW相机是一组经过专门改装的GoPro相机。每台猎户座飞船服务舱延伸出的四个太阳能电池阵列翼上各安装有一台。



不要指望高清视频,”阿尔忒弥斯2号上升段飞行主任贾德·弗里林(Judd Frieling)补充道,“但你将拥有SAW相机画面,通过我们标准的低速率视频传输。”


自2017年以来,NASA一直在国际空间站进行4K广播,那么为什么近十年后的今天,他们无法从月球做到这一点呢?


数据、日光与距离


在阿尔忒弥斯2号任务的大部分时间里,“坚韧号”(Integrity)与NASA休斯顿任务控制中心之间的通信由NASA的近地空间网络(Near Space Network)或深空网络(Deep Space Network)负责处理。

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在飞掠期间,任何向地球直播的图像都将通过DSN传输,该网络依赖于向位于加利福尼亚、西班牙和澳大利亚的射电天线进行传输。

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“坚韧号”还搭载了一个实验性的光通信系统,该系统使用激光(红外光)以比无线电波更高的速率传输数据,从而能够更快地将更大的视频和图像文件传回地球。在飞掠之前,该演示已成功传输了迄今为止任务期间收集的超过100 GB的数据。


然而,光通信系统也存在一些限制,例如当“坚韧号”的舷窗聚焦于月球表面时,系统可能指向了错误的方向。


因此,来自飞掠的所有直播图像,以及来自太空舱的遥测数据、机组与任务控制中心的通信等,都必须通过同一条无线电直接管道进行传输。


“挑战主要在于距离,空间站之所以能够获得人们看到的连续高速视频,是因为它位于地球轨道上,并通过NASA的跟踪与数据中继系统TDRS进行通信,因此它可以从一个中继卫星切换到另一个中继卫星,从而提供近乎连续的馈送。”


“所以从月球的角度来看,你有了额外的距离,此外,地球上目前能够支持高速率地月信号传输的地面站数量也有限。”


如果阿尔忒弥斯2号是那里唯一的任务,深空网络或许就足够了。但现实情况是,用于接收来自月球信号的同一些天线,也需要用于火星上的两个活跃漫游车、太阳和行星周围的探测器,以及位于我们太阳系边缘及更远处的航天器。


月球中继


2024年,NASA为确保在下一批人类踏上月球时能够提供实时高清视频,迈出了重要一步。


NASA与Intuitive Machines公司签订了一份合同,旨在建立一个月球卫星星座,为月球的探索和科学研究提供通信服务。NASA预计,月球中继系统将被人类和机器人着陆系统共同使用,通过将它们与地球上的地面站连接起来,从而扩大潜在的着陆点数量。


“因此,如果你(一名宇航员)身处陨石坑底部,或处于任何地球不在视野范围内的位置,那么位于轨道上的月球中继卫星就能为你提供一个接入点


“月球中继的优势还在于它离月球更近,因此更容易建立连接,”“这样一来,月球上的用户系统就可以配备更小的通信设备来传回视频。他们不必将信号一直发送回地球。只需发送到中继卫星,然后由中继卫星负责建立与地球的连接并传回视频。”


Intuitive Machines正按计划于今年晚些时候,利用发射其第三个机器人任务(IM-3)以将政府和商业载荷送上月球的同一枚火箭,部署其首个月球中继卫星。


“我们目前的部署计划是五颗中继卫星,”“届时我们将有足够数量的卫星在轨运行,以便在首次阿尔忒弥斯着陆任务发生时提供全面覆盖。如果它们的天线已经展开并能指向我们,我们应该能够提供着陆过程的实时高清视频。”


这里可以看出我国鹊桥月球中继卫星的前瞻性。


高清图像和视频以最原始的方式带回


Intuitive Machines是NASA选定的34志愿者之一,负责跟踪阿尔忒弥斯2号任务往返月球的全过程。该公司正利用其空间数据网络(SDN)和地面站基础设施,来追踪“猎户座”飞船在为期10天的旅程中传输的无线电波。


收集到的数据将帮助NASA确定增强未来月球任务支持的方法,包括对更多月球中继卫星的需求。


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最终,阿尔忒弥斯2号机组人员在周一拍摄的所有录像和照片都将存储在SD卡与宇航员抵达地球,即使这意味着要随“猎户座”飞船上的宇航员一起着陆。NASA计划与公众分享所有这些内容,这样每个人都能看到怀斯曼、格洛弗、科赫和汉森所看到的景象,尽管不是在他们看到的同时。



不久之后带宽将不再是问题,届时我们所有人都能身临其境地参与其中,而同样的月球中继系统将支持多项任务和月球表面活动,从而减轻深空网络的压力。