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在月球上网冲浪是什么样的体验？最近，中国国家航天局副局长卞志刚表示，在2035年前后，要建设月球科研站的基本型。到时候，科研站将部署无线网。为什么要在月球搭建无线网？建成之后，我们可以在地球和在月球的宇航员组队打游戏吗？月球无线网延迟会很高吗？今天我们就来聊聊月球无线网。
目前，人类太空探索通信主要依靠无线电波，通过中继卫星和地面站网络来实现任务指挥、数据传输和控制。不同的任务、航天器、轨道位置会采用不同的通信频段和协议，以满足数据量、传输距离、延迟和实时性等要求。
在进行近地轨道任务时，一般用S波段（2~4 GHz）和Ku波段（12~18 GHz）的无线电波进行通信。比如国际空间站在低轨道运行时，就是通过这两个波段的无线电，分别进行控制信号传输和数据传输。在进行月球任务时，一般用S波段和频率更高的X波段（8～12 GHz）。在进行深空探测任务时，一般用X波段和Ka波段（26.5–40 GHz）。而需要与更远距离的深空飞行器通信时，则会选择低频、穿透力强、稳定的 S 波段。
不管选哪个波段的无线电进行通信，我们获取深空信息的方式都是“点对点”，每次只能建立单一的通信链路。也就是说，地球上的地面站，每次只能和深空中的卫星、机器人或者其他设备进行一对一的通信。
简单来说，目前的深空通信只能“私聊”，不能“群聊”。这种沟通方式暂时没有大问题。但是月球科研站建成之后，还只有“私聊”，问题就来了。
月球科研站建成后，有通信需求的设备肯定大大增加。比如基地部署的科研仪器、机器人以及科研人员配备的通信设备。这些设备不仅互相需要通信，还可能需要和地球通信。如果继续采用“点对点”的通信方式的话，可能会导致通信资源严重不足，设备之间的通信争用资源时会出现冲突和延迟。
由于缺乏实时互联，设备之间需要进行数据交换时，需要先传回地面，再由地面传给另一台设备。目前地月之间存在约2.5秒的信号延迟（注：地球和月球之间的信号往返需要约为2.5秒），如果所有数据和指令都需要传回地球处理，会非常影响任务的效率。
所以，搭建月球无线网，非常有必要。
问题是，怎么搭？
我们在地球上搭建无线网那一套可不能直接搬到月球。为啥？因为地球和月球环境差异太大了。就好像，如果把在北方，在屋里可以穿短袖过冬的那一套，搬到南方，可能脑子都会冻坏。
在月球搭建无线网一样的道理。
在搭建之前，得解决物理环境带来的挑战。首先是极端温差。
和地球不同，月球表面昼夜温差非常大。白天，月表温度可超过 100℃。晚上，月表温度可降到零下180℃，甚至更低。这种极端环境对电子设备的稳定性、散热能力、材料的耐温性都提出了极高的要求。咱平时使用的网络设备在这种环境下要么热化、要么冻得一碰就碎，根本没法用。所以在搭建月球无线网之前，得先使这些硬件设备能像咱的嫦娥探测器一样，适应极端的温度变化。
其次是高真空。
虽然月球存在微量的大气，但密度非常低，约等于真空。也就是说，月球上没有空气对流，设备只能通过辐射的方式散热，如果用传统的散热设计，设备容易过热。
高真空环境容易产生静电，静电积累可能引发电气放电,干扰甚至损坏敏感电子设备，如无线发射器、接收器和其他通信元件，导致数据传输不稳定或中断。
静电放电还可能干扰信号或损坏数据。尤其在高频通信中，静电干扰会引起信号波动和数据丢失，影响无线网络的通信质量和稳定性。
此外，静电效应还会使设备更容易吸灰，进一步加重设备散热的负担。
高真空还会带一个我们在地球也会遇到的一个问题：信号不好。在地球，空气中的分子和电离层可以反射、折射和散射无线电波，使信号传播得更远，尤其是低频信号。而高真空的月球没有这些反射层，导致无线电波更容易直线传播，无法利用折射和散射延长传播距离。因此，在月球，无线电波很容易衰减，导致通信距离变短，信号强度下降和噪声比增大。
然后就是高辐射。
刚刚提到的这些都是“小影响”，毕竟设备还能用，只是效果会变差。但高辐射可就没这么温柔了，直接对设备“贴脸开大”。
由于没有大气保护，月球表面的辐射水平大约是地球表面的200倍。月球表面的平均辐射水平大约为每日0.3毫希沃特（mSv/day），相比之下，地球表面的背景辐射一般为约每日0.0015毫希沃特。什么概念呢？拍一次 X 光的辐射剂量大约是0.1毫希沃特。
如果不做特殊保护的话，暴露在高辐射环境下的电子设备更容易受“单粒子效应”影响。单个高能粒子在通过设备的半导体元件时产生电荷扰动，导致瞬时错误或元件损坏。
简单来说，高辐射很容易让电子设备“暴毙”。
此外，辐射还能影响数据的传输准确性，引发信号衰减和误码。长时间辐射还会加速材料的老化，导致开裂、退化、脆化，影响设备的机械强度和密封性。
解决恶劣环境带来的考验之后，还得考虑能源问题。在月球上，探测器目前主要依靠太阳能电池板获取能源，而月球昼夜交替周期约29.5天，极夜期间太阳能电池板无法工作，所以开发新型能源存储技术很关键。
除此之外，在月球搭建无线网还需要考虑网络架构上要有冗余设计，以防单一节点或设备故障导致通信中断。在地球上网络出问题了，一个电话就可以搞定。在月球，可是真正的叫天天不应，叫地地不灵。
总结来说，月球无线网和地球无线网除了名字外，几乎哪哪都不一样。
假如，上面提到的挑战和难题，我们都克服了，成功搭建了月球无线网，那在月球上网和在空间站上网有啥不同？
最大的区别是在空间站上网速度更快，而月球上网你会感到有明显延迟。主要原因是距离。空间站和地球的距离约 400 公里，可以通过中继卫星或直接接入通信卫星网络和地面站进行数据交换，然后再由地面站接入互联网。目前咱的天宫空间站下载网速可达150 MB/s，相当于 5G 网络。
而在月球，速度就明显慢了下来。2009 年，美国国家航空航天局发射的月球勘测轨道飞行器最大下行速度为12.5 MB/s。
因为在月球，航天员要和地球进行数据交换，不能走空间站那一套，也就是设备直接接入通信卫星网络，然后和地面站建立联系，再接入互联网。因为地月之间的平均距离约为38万公里，远超地球同步轨道的高度（约3.6万公里），现在的通信卫星的信号强度和设计无法支持这么远的直接通信。月球和地球之间必须有一个“传话员”——中继卫星。所以，月球无线网建成后，你想发一张自拍，数据大概要经过这些关卡：用户终端 → 月球基站 → 中继卫星 → 深空网络地面站 → 互联网。即使设备数据传输零延迟，这一路走完，再反馈到你手机上，至少要花 2.5 秒，所以说，你想在月球和朋友开黑，秀操作，大概会输得很惨。
尽管月球无线网面临着种种挑战，但这些技术难题并非不可逾越。攻克这些技术壁垒不仅能促进月球科研站的建设，还能为人类在火星等更遥远星球建立通信网络积累宝贵经验。
相信在不久的将来，也许你会收到朋友发来的微信：“今天月球无线网信号特别好，刚和家人视频了一会儿。窗外的地球真美，你什么时候也来月球做客？”
让我们一起期待科幻照进现实吧。
本文为科普中国·创作培育计划扶持作品
作者：零一
审核：韩蕾 通信高级工程师
出品：中国科协科普部
监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司
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