如何在火星上建立互联网

当宇航员从现在开始几十年的火星上登陆火星时，他们需要找到一种与彼此交流的方法 - 彼此之间以及地球上和周围的设备以及使命控制权。尽管离家很远，但毫无疑问，他们想与亲人建立联系，将其播放列表保持最新或流式传播他们最喜欢的节目的最新情节。

但是，建立与地球互联网的Wi-Fi连接并不是一个选择。地球太远了 - 根据行星在轨道上的位置，大约5500万到4亿公里。太空人将需要另一种策略。

欧洲航天局的系统工程师克莱尔·帕菲特（Claire Parfitt）表示，建立良好的通信基础设施对于人类对火星的任务至关重要，欧洲航天局或欧洲航天局的ESA（总部位于荷兰Noordwijk）的ESA是必不可少的。 “目前，我们正处于解决这意味着什么的早期阶段。”

研究人员正在测试升级现有网络的方法以及一些遥远的选择。例如，NASA的心理使命，该任务于10月份以探索火星和木星之间的小行星，还将使用激光测试行星际通信。激光比最早的太空旅行时使用的无线电波更多的数据可以携带的数据。

没有已知的策略可以摆脱地球与火星之间通信的时间滞后。一条以光速移动的消息可以在四到24分钟之间进行单程旅行。换句话说，对任务控制的快速ping是不可能的，更不用说whatsapp呼叫回家了。

帕菲特说，当太阳落在地球和火星之间时，还有太阳能结合的问题。每两年左右发生几周，就可以切断行星之间的通信。最后一个发生在11月。

但是，新的方法可以开放可能使火星上的交流更类似于我们在地球上经历的东西。至少一个研究团队想知道：如果火星拥有自己的互联网怎么办？

今天火星沟通如何运作

几个太空机构在火星上已经有着陆器，漫游者和卫星，必须与地球进行交流。

考虑NASA的毅力漫游者。它发送并收到两种信息。一个是命令和遥测，地球上的操作员发送说明，接收信息并决定下一步要做什么。珀西通常每天从地球接收1000多个命令。第二个是珀西收集的科学数据 - 例如火星岩石的图片。这直升机的创造力， 哪个结束了今年早些时候的任务，还定期为流动站刺穿，该流动站用作基站，以中继和地球之间的命令和命令。绕星球的轨道轨道，包括NASA的火星奥德赛和火星侦察轨道，或Mro，以及ESA的微量燃气轨道或TGO，类似地将科学数据发送回家。

NASA所说的“与MARS接力网络”所说的“与MARS接力网络相关的许多沟通都被称为“紧密编排的舞蹈”。这个围绕火星的五个轨道网络 - Mro，Tgo，Maven，Mars Odyssey和Mars Express-通过天线向地球传输信息。

需要将其最新观察结果发送回地球的流浪者首先将数据传递给使用超频率无线电传输的轨道。如果那个轨道没有远见的视线，它可以保留信息，直到它做到。然后将数据传达到地球上，在该地球上，分布在全球范围内的强大无线电天线一直在听深空的水面。

一旦人类机组人员降落在火星上，该系统将不够好。 MIT的光纤和卫星通信研究人员Vincent Chan并没有预见到本地的现场交流是一个挑战。他说，火星船员可以使用射频和现有无线技术进行交互。当宇航员靠近时，两个迷你蜂窝塔就足够了，当宇航员距离足够远，必须在地平线上发送消息时，可以使用某种类型的继电器。居住在地球偏远地区的人们一直以类似的方式进行交流。陈说：“这些服务已经在发挥作用。”

Chan说，船员着陆车上的一个大天线可能是Martian探险家将设立的第一个基础设施，但随后情况可能会变得更具挑战性。当地面天线没有直接视线时，宇航员可以使用类似于火星继电器网络的轨道继电器与地球通信。几个轨道机必须用于全天候覆盖范围，并且需要对重型数据传输进行优化。

ESA目前正在考虑使今天的接力网络更加强大。正处于考虑一个称为火星通信和导航基础设施或Marconi的概念的早期阶段。如果它向前迈进，该项目将开发一套通信和导航相关的有效载荷，这些有效载荷可能会在任何前往火星的任务上背负。

Parfitt解释说，一旦部署到轨道中，这些有效载荷将充当节点，以提供火星和火星的无线电通信。然后，他们可以坚持使用以后的任务。她说：“您降落的质量越多，越昂贵，因此您不一定每次都希望在火星上登陆大规模的通信系统。”

尽管传统的无线电频率足以满足较低的数据速率，但是使用激光链路可以在同一时间范围内携带10到100倍的数据。由于光波的频率较高，可无线电波的数十万次，可以包装更多信息。因此，这种光学信号就是可以朝空间通信的地方。

太空中的激光通信

去年10月推出的Psyche航天器将测试长距离激光通信的可行性，因为它将朝着Psyche（将要探索的金属丰富的小行星）进行Psyche。航天器携带NASA的深空光学通信，或DSOC，技术。

使用激光进行太空通信并不是什么新鲜事物，但是从未从距离更远的月球进行测试。在11月中旬，Psyche将数据传递到了地球从1600万公里的距离- 比月球更远40倍。在十二月发送了一个名为Taters的猫的视频从3100万公里之外。

ESA还正在探索长距离光学通信。一个名为Scylight的程序，缩写用于安全和激光通信技术，并发音天窗， 是支持光学和量子技术的研究和开发用于安全和快速的数据通信。

尽管有好处，光学通信仍需要对瞄准信号的超计。与无线电通信不同，光信号是在狭窄的光束中发送的，必须精确地指向接收器。更重要的是，云覆盖物和大气效应也会干扰激光器。

向光学通信的任何转变都意味着一些升级到现有的无线电天线聆听来自Deep Space的消息（称为Deep Space Network）或新的基础架构。

尽管它比火星更近，但月亮为未来连通性提供了学习机会。作为Artemis计划的一部分，该计划旨在将人类返回月球，美国国家航空航天局（NASA）已签约私人公司，以建立一个农历4G网络进行电信。此类网络基于无线电波，包括安装可以承受苛刻的月球景观的天线和基站。

一个名为Moonlight的ESA计划邀请私人太空公司在月球周围建立了一系列通信卫星，其中包括没有直接可见地球的地区。该计划的第一阶段包括启动Lunar Pathfinder Orbiter，目前计划于2026年。

驻伦敦，是ESA的未来项目工程师Tomas Navarro说：“为月球所做的一切，都是将人类和任务带到火星的目标。”

火星上的互联网

那些火星探险家，更不用说未来的居民，无疑会做更多的事情，而不是来回发送消息。他们需要类似于地球互联网的设置，我们将其用于从共享照片到访问大量数据库的所有内容。 2023年6月，柏林技术大学的Tobias Pfandzelter和David Bermbach提出，绕着火星旋转的卫星舰队可以为红色星球提供它自己的分支互联网。

我们大多数人在地球上的大多数人都在无线4G或5G网络上或通过Wi-Fi路由器上的射频辐射通过电话访问互联网。这些连接通过世界各地的光纤电缆连接。拟议的火星网络将类似于Starlink，低地轨道中卫星的星座由SpaceX操作。在地球上，宽带互联网和通过卫星的手机覆盖范围很昂贵，但是在火星上，这种系统可能比地面上的广阔且稳健的网络更便宜，更容易构建。

Pfandzelter和Bermbach都是云计算方面的专家 - 通过Internet提供计算服务。对于他们提出的火星互联网，他们从边缘计算中推断了概念，其中将信息接近收集的位置处理。

总部位于加利福尼亚州圣何塞的技术公司Supermicro的总经理迈克尔·克莱格（Michael Clegg）解释了Edge Computing使用一个受欢迎的披萨餐厅的类比“这在更多社区开放了较小的分支机构，因为在主要位置烘烤的派将在遥远的客户的路上变得冷淡。”边缘计算通常依靠地面上的基站来存储和中继数据，但是低地球轨道卫星现在被视为替代方案。

Pfandzelter和Bermbach得出的结论是，在火星周围有81个低轨道卫星的星座足以容纳行星范围的覆盖范围。他们将提供当地的通信系统，这将是地球互联网的扩展。

考虑火星上的宇航员试图赶上Netflix的表演。 Pfandzelter说：“如果要从地球播放它，则必须先等待10、15甚至40分钟。”这将是一个令人沮丧的停留案件。而且，如果火星上的另一位宇航员想看同一部电影，他们就必须再次经历同一过程。

相反，火星上的云数据存储系统可以使电影易于访问。他说：“您可以拥有与地球上相同的经验，因为您的所有数据均已复制。”同时，其他上传和下载往返于地球（例如科学数据）可能会在后台继续进行。

将互联网卫星放入火星周围的轨道也将是经济的，因为它不需要地表上的登陆基础设施。着陆设备可以构成任务预算的很大一部分。 Pfandzelter说：“只需将一堆网络卫星发送到火星，然后将它们留在轨道上会便宜得多。”

它类似于Marconi概念的扩展版本（并且可以使用无线电或光波，具体取决于这些技术的状态）。

帕菲特说，即使到达火星几十年之遥，也不太早开始计划。行星之间的实时视频挑战是科学可能性的领域。除非物理定律中有重大动荡，否则信息永远不会比光速更快。 “解决这不是问题。这只是一个问题。”

但是可以克服其他局限性。应对这些挑战不仅可能使未来的宇航员在火星上受益，而且可能会帮助他们尽快到达那里。

帕菲特说：“当您放置这样的基础设施时，您会看到更多的任务。”