從太空傳輸 4K 超高畫質影像，阿提米絲二號計畫測試 O2O 雷射光通訊系統
隨著美國國家航空暨太空總署（NASA）的「阿提米絲二號」（Artemis II）任務展開月球飛掠探測，其搭載的 「獵戶座」（Orion） 太空艙正準備測試一項 NASA 迄今最具野心的太空通訊升級計畫，也就是名為「O2O」的雷射通訊系統。這項技術預期將為地球帶來源自太空的 4K 超高畫質影片與照片，大幅顛覆過去長期依賴無線電微波的太空通訊模式。
O2O 全名為「獵戶座阿提米絲二號光通訊系統」（Orion Artemis II Optical Communications System），是 NASA 與麻省理工學院林肯實驗室耗時二十餘年共同研發的成果，目的在為太空探測建立更優質的高頻寬通訊鏈路。NASA 太空通訊與導航計畫副經理 Greg Heckler 指出，自 NASA 成立以來，主要仰賴微波通訊技術，通常使用吉赫頻段的訊號。相較之下，光通訊系統利用雷射發射紅外光脈衝來編碼數據，不僅設備體積更小巧輕便，傳輸資訊量也更為龐大。
據了解，O2O 設備的體積僅與一隻家貓相仿，但其下行數據傳輸速率最高可達 260 Mbps，上行至獵戶座太空艙的速率則為 20 Mbps，而上下行速率不對等的原因在於獵戶座上的光接收器尺寸較小。Greg Heckler 表示，要這樣的網速放在家用寬頻裡，也夠讓人滿意了。
雖然，獵戶座太空艙仍會將傳統無線電技術做為核心通訊系統，以連接 NASA 分布在全球的近地與太空網路巨型無線電天線。但過往的一系列實驗，已證明 O2O 系統能將雷射通訊的傳輸速率與距離推向全新高度。而其更高效的傳輸通道不僅意味著更高畫質的影像，還具有極高的科學價值。未來，地球上的科學家可以即時獲取飛行紀錄器中的關鍵任務數據，而無需等待獵戶座太空艙船返航著陸後再行回收。持續的雙向通訊還能支援遠端遙控月球車，並監控月球關鍵基礎設施的運作狀態。
Greg Heckler 還強調，在通訊延遲方面，地球與月球之間的雙向視訊通話訊號往返延遲約為一秒。這種延遲雖然能被感知，但並不會構成通訊障礙。隨著阿提米絲計畫推動人類在月球及其軌道的長期駐留，即時雙向通話能力將變得至關重要，能讓身處高壓環境的月球太空人與地球上的家人進行視訊通話，具有極大的心理支撐意義。
然而，在當前太空中實現光通訊面臨著極大的技術挑戰。麻省理工學院林肯實驗室光與量子通訊組負責人 Brian Robinson 解釋，O2O 模組採用了光纖通訊產業通用的不可見紅外波段半導體雷射與發射設備，並透過鉺摻雜光纖放大器將發射功率提升至 1 瓦。由於傳輸距離長達約 38.44 萬公里，雷射光束抵達地球時，光斑直徑將擴散至 6 公里寬。
Brian Robinson 說明到，從月球視角來看，直徑 6 公里的目標仍極為微小。所以，本次任務最大的技術難題在於達到精準指向。為了與位於氣候乾燥、雲層稀少的新墨西哥州和加州地面站建立穩定通訊，雷射指向精度必須達到千分之一度。要達成此目標，O2O 系統配備了一台安裝於雙軸萬向支架上的 10 公分望遠鏡，可在半球範圍內靈活轉動捕捉目標，並透過聚光透鏡、追蹤感測器、快速轉向鏡等後端光學組件進行精細微調。此外，工程團隊還必須克服太空環境中溫度變化導致的設備形變，以及獵戶座飛船星感測器與通訊終端間的校準偏差等不確定因素。
以 4K 高清影像回饋全球大眾 當獵戶座飛船運行至月球背面時，所有的通訊系統仍會面臨短暫中斷，不過這項問題預計在後續的阿提米絲任務中透過中繼衛星來解決。對於社會大眾而言，O2O 系統最直觀的價值在於它能透過獵戶座飛船上的 28 台攝影機，同步傳輸 4K 高畫質影片、照片、語音通訊與科研數據。正如 Greg Heckler 所言，攝影機記錄的就是任務本身，我們希望能用 4K 高清影像回饋美國民眾，阿提米絲二號不僅是人類重返月球的重要一步，更將帶來一場前所未有的太空視覺饗宴。
(首圖來源：NASA)