星际互联网将如何运作

作者:凯文·邦索
环绕火星的卫星可以通过星际互联网帮助将信息传回地球。

由于互联网和其他电子通信的进步,您几乎可以与世界上任何角落的任何人进行即时对话。科学家和太空探险家现在正在寻找一种方法,在地球以外实现即时通信。互联网的下一阶段将把我们带到太阳系的遥远区域,并为载人火星任务和更远行星的通信系统奠定基础。

如果我们想了解更多关于其他行星的信息,未来的太空任务就需要更好的通信系统。如今,与地球上的通信相比,太空通信的速度慢如蜗牛。这有几个原因:

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  • 距离——在地球上,我们之间的距离只有光秒的几分之一,这使得地球上的通信通过互联网几乎是瞬时的。然而,当你深入太空时,会产生几分钟甚至几小时的延迟,因为光线在发射器和接收器之间需要传播数百万英里,而不是数千英里。
  • 视线障碍——任何阻挡信号发射器和接收器之间空间的事物都可能中断通信。
  • 重量——能够改善与深空探测器通信的高功率天线通常太重,不适合太空任务,因为有效载荷必须轻巧且高效利用。

在我们迎来新世纪之前,人类很有可能已经登陆火星。我们将如何与这些遥远的旅行者沟通?科学家、工程师和程序员已经在努力开发一个**星际互联网**,它将我们与探测器和人类太空旅行者连接起来,并允许更多信息传回地球。如果您曾梦想太空旅行,那么本期**《事物将如何运作》**将向您展示星际互联网将如何让任何人都能进行太空旅行——就像互联网让我们无需离开办公桌就能“游览”异国他乡一样——以及哪些技术将支持这样一个天文通信系统。

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连接太阳系

六颗微型卫星,像这颗一样,可能会被送入火星低轨道,以增加火星任务的数据返回。
图片来源:NASA / JPL

看看 1997 年的火星探路者漫游车任务,你就会明白太空探险家为什么需要一个星际互联网来进行深空通信。在任务期间,探路者的数据平均以每秒约 300 比特的速度传回。很可能,您的计算机传输数据的速度至少是它的 200 倍。火星和地球之间的互联网可能会产生每秒 11,000 比特的数据传输速率。这仍然比您计算机的传输速率慢得多,但足以传回更多火星表面的详细图像。火星网络的研究人员认为,传输速率最终可能达到每秒约 1 兆字节(8,288,608 比特),并允许任何人进行虚拟火星之旅。

星际互联网就像一个更大规模且有所改进的地球互联网。以下是拟议的星际互联网的三个基本组成部分:

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  • NASA 的深空网络(DSN)。
  • 一种新的数据传输协议。
DSN 天线阵列将用于通过星际互联网发送和接收数据。
图片来源:NASA / DSN

DSN 是 NASA 用于跟踪数据和控制星际航天器导航的国际天线网络。它旨在实现与航天器的持续无线电通信。然而,最近的太空任务与 DSN 失去了通信,包括 1999 年的火星气候轨道器和火星极地着陆器任务。DSN 由位于加利福尼亚、澳大利亚和西班牙的三个全球设施组成。每个设施都配备了一台 111 英尺(34 米)直径的高效天线,一台 111 英尺的波束波导天线(加利福尼亚有三台),一台 85 英尺(26 米)的天线,一台 230 英尺(70 米)的天线和一台 36 英尺(11 米)的天线。

在星际互联网中,DSN 将成为地球通往该互联网的网关或门户。在由资助星际互联网研究的 MITRE 公司发布的一篇论文中,研究人员建议 DSN 的天线可以指向火星,以确保地球和火星之间每天至少有 12 小时的连接。环绕火星的卫星应提供两个星球之间的全时连接。火星漫游车、探测器或人类殖民地将为星际互联网提供火星门户。

根据火星网络计划,DSN 将与六颗微型卫星和一颗大型火星卫星(Marsat)组成的一个星座进行互动,这些卫星将部署在火星低轨道。这六颗微型卫星是火星表面或附近航天器的中继卫星,它们将允许从火星任务中返回更多数据。Marsat 将收集每个较小卫星的数据并将其传输到地球。据火星网络官员称,它还将使地球和遥远的航天器保持持续连接,并允许传输高带宽数据和行星视频。NASA 最早可能在 2003 年发射一颗微型卫星,到 2009 年六颗微型卫星组成的星座将环绕火星运行。2007 年,Marsat 计划被放置在一个比该星座略高的轨道上。所有这些日期都还非常不确定。

程序员正在开发一种互联网文件传输协议,用于传输消息并克服延迟和中断。该协议将作为整个系统的骨干,就像互联网协议(IP)和传输控制协议(TCP)在地球上运行一样。IP 和 TCP 是由文顿·瑟夫博士在 20 世纪 70 年代共同开发的,它们是我们基于地球的互联网的信使服务。这两个协议将传输的消息分解成小数据单元的数据包,并将其路由到指定目的地。

瑟夫是开发新协议以实现在行星和航天器之间长距离可靠文件传输的科学家团队的一员。这种新的空间协议必须即使在传输过程中丢失了一些数据包也能保持互联网运行。它还必须屏蔽在跨越数百万英里时拾取的噪音。一种空间协议的想法被称为**包裹传输协议**(PTP),它将在每个行星的网关处存储和转发数据。该协议将处理发送到网关的信息请求并将其转发到最终目的地。然后,网关将检查、处理信息并将其沿其来路转发回去。

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天文挑战

星际互联网将使地球与数百万英里外的探测器和其他航天器之间的数据传输速度大幅提升。在通过网络空间规划我们的虚拟火星之旅之前,工程师需要克服几个挑战。这些挑战是:

  • 光速延迟。
  • 黑客入侵的可能性。

在地球上,两台连接到互联网的计算机最远也只有几千英里。由于光速为每秒 186,000 英里,发送一个数据包从一台计算机到另一台计算机只需要几分之一秒。相比之下,地球站与火星站之间的距离可能在 3800 万英里(5600 万公里)到 2.48 亿英里(4 亿公里)之间。在这些距离下,无线电信号到达接收站可能需要几分钟或几小时。星际互联网将无法复制您所使用的互联网的实时即时性。“存储转发”方法将允许信息以捆绑形式发送,并克服因延迟而导致数据丢失的担忧。

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火星网络(Mars Network)的卫星将距离地球数千万或数亿英里,这意味着当它们出现问题时,很难前往那里进行修复。这些卫星的组件必须比环绕地球的卫星更可靠。

黑客对星际互联网构成最大的威胁。入侵和破坏导航或通信系统可能对太空任务造成灾难性后果,甚至导致载人航天任务中的人员死亡。开发人员正在采取一切预防措施来设计一个能够控制访问的系统。所选协议必须对黑客来说是不可渗透的,而这在地球上尚未实现。开发人员可能会借鉴用于金融交易的安全套接字层(SSL)协议,作为保护星际互联网安全的模型。

星际互联网可能在十年内将我们与火星连接起来,并在接下来的几十年里与其它行星连接。届时,不再需要亲自进入太空来体验太空旅行。相反,太空将直接呈现在您的桌面。随着数据传输速率的提高,您和我也许很快就能进行一次虚拟太空之旅,前往火星的山脉、土星的光环或木星的巨型斑点。

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