《獨立日2：捲土重來》中QQ地月視頻通話真的可以實現嗎？需要克服哪些科技難題？

12-09

今天去看了《獨立日：捲土重來》，好看！裡面中國元素真不少，錘弟Jake Morrison在月球上和他女票通話用的居然是QQ！忽然特別好奇，用QQ在地月間進行通話，真的可以實現的嗎？目前人類的科技到達這個水平了嗎？

出品：科普中國
製作：中國科學院國家天文台劉博洋
監製：中國科學院計算機網路信息中心

前天中午看著英國退歐的消息，當時就腦子一熱溜去看《獨立日2》首映去了……噫，怎麼說呢，中國元素多的我尷尬症都要犯了，不知道周圍那些老外心裡怎麼想。。。（鵝廠這個「Thank you for using QQ」還算好的，那個讓我臉盲的中國女演員抵達月球基地的時候一群人圍上去要簽名的鏡頭，雞皮疙瘩掉了一地好嗎……那個牛奶的違和堪與《變形金剛3》里有的一比，都是我家鄉企業，我也不說啥了……）

好了正經答題。

在地月之間視頻通話？當然可以。不嚴格的說，半個世紀前我們就做到了。

這是1969年7月20日，阿波羅11號帶著阿姆斯特朗和奧爾德林兩人首次登上月球時的電視直播畫面——沒錯，是直播，不是錄播。

阿波羅任務本身就有人說是「開著洗衣機橫渡了太平洋」，在1960年代完成這樣的壯舉，確實有很多技術問題需要解決：電視直播作為美宣部（又名NASA【誤】）造大新聞的重點，當然要萬無一失。

要解決的問題最根本就是，怎麼讓信號在非常有限的數據傳輸能力下靠譜的傳回來、靠譜的接收到。

一方面，NASA從攝像設備入手，儘可能減小產生的數據量：當時美國的電視標準是採用525線隔行掃描、每秒30幀的格式，而NASA給阿波羅任務專門定製了320線逐行掃描、每秒10幀的慢速掃描攝像機，這種特別定製的攝像機讓電視信號回傳所需的帶寬降為標準格式的十分之一。

由西屋電氣製造的這款攝像機品質其實還是相當不錯的。上面左圖就是這款攝像機拍攝的原始畫面，可以看到宇航員面罩上清晰的映出飛船和人影。不過由於和標準電視畫面格式不同，在實時轉換的過程中，原始圖像的畫質被毀了不少（上面右圖）。

另一方面，由通信領域的基本定理「香農·哈特利定理」我們知道，信道傳輸信息的速率與帶寬及信噪比有直接關係。而提升信噪比最簡單粗暴的辦法就是——用更大口徑的天線。

阿波羅8號時，NASA用於任務的地面接收站由美國加州Goldstone、澳大利亞堪培拉和西班牙馬德里的三架26米天線組成，使用這三個兩兩經度差約為120°的天線，可以實現不間斷的通信。

1961年，澳大利亞建成Parkes 64m望遠鏡，成為當時世界上最大的射電望遠鏡之一、南半球最大的射電望遠鏡。該望遠鏡的成功建造引來了美國人的效仿：1966年，NASA就在美國深空網（DSN）的核心Goldstone建成了同樣口徑為64米的射電望遠鏡。該望遠鏡甫一建成，就成為美國火星探測的主力，被稱作「火星天線」。

（左為Goldstone 64米「火星天線」，右為水手四號發回的火星影像）

到了1969年肯尼迪劃定的十年大限，NASA終於準備好進行真正的首次載人登月任務，阿波羅11號。為了支持阿波羅11號任務的電視直播，NASA同時動用了Goldstone和澳大利亞Parkes兩台64米望遠鏡。這兩面大口徑望遠鏡的加入，將接收下行信號的靈敏度提升了約6到10倍——64米口徑望遠鏡的接收面積為26米望遠鏡的6倍。

每每為澳洲射電天文學界所稱道的，是Parkes望遠鏡的優異性能。雖然兩台64米望遠鏡先後被用於直播信號接收，但在NASA發現Parkes的效果比Goldstone好很多後，剩餘直播全程都是採用Parkes接收的信號——這期間Parkes所在地不巧颳起強風，望遠鏡始終在超出機械結構設計能力的狀態下堅持工作，不辱使命。

比較有意思的是，當時阿姆斯特朗跟奧爾德林倆人到達月球後，按計劃應該先休息7個小時再出艙，因為只有那時月球才能進入Parkes望遠鏡可觀測的地平高度以上；然而阿姆斯特朗實在太激動，登月心切，提前開始張羅著要出艙，差點讓Parkes趕不上直播——只是出艙的宇航服太難穿上了，才讓阿姆斯特朗折騰半天之後，最終還是基本準時的出艙。

這段軼事還被拍成了電影《鍋》（The Dish，此處電影中譯名為筆者杜撰）：

（為什麼是綿羊不是袋鼠？）

不過幾十年之後人們仔細檢查當時的數據，發現這個畫質不好的「鍋」可能不能全讓Goldstone「火星天線」來背。原來是Goldstone接收到慢速掃描視頻信號後，在轉換成正常電視信號格式時，黑色色階的值設置錯誤，導致暗部細節全部沒能顯示。這是當時Goldstone和Parkes的圖像對比（分別為左、右）：

由於Parkes 64m望遠鏡的高靈敏度保障了電視直播的有效進行，阿波羅11號的著陸艙僅憑自帶的一個較小的S波段可動天線（下圖所示「Steerable S-band Antenna」）就保證了信號傳輸的順利進行——他們本可以在地上再另外撐起一個臨時天線的。因為Parkes足夠給力，他們不必多此一舉，為緊張的月表工作節約了時間。

後來，阿波羅12號把攜帶出艙的攝像機從黑白的變成了彩色的，為了保證更大流量信號的順利傳輸，使用了這個S波段的臨時天線來增強信號（飛船右側的倒傘形）。

當然比起《獨立日2》電影里這段QQ視頻聊天，阿波羅任務的電視直播還算不上真正的「視頻聊天」——畢竟只有單方向的視頻傳輸，從地球到登月飛船就只有語音了。

（劇照，網圖）

這畫質，少說也得有720p吧？720p的碼率一般在5Mbps左右，可能是阿波羅11號電視信號的10倍（我估的，可能不準）。當然，在摩爾定律狂飆突進幾十年後的今天，如果只需要提升十倍數據傳輸能力，現在的人類當然做的到。（感謝讀者的專業補充：如果使用HEVC編碼的話，720p碼率可以壓縮到1Mbps甚至600kbps，那樣的話即使是阿波羅時代的數據傳輸能力也差不多能實現了。）

比如2010年發射的嫦娥2號繞月探測器，其搭載的X頻段通信載荷能夠達到12Mbps的數據下行速率——別說720p了，1440p也快夠了。而即使走的遠一點，到其他行星去，現代深空通信保障能力也足夠讓我們驚訝：在土星工作的卡西尼號飛船，每天傳回4GB的數據，相當於一部小電影（誤）；遠在冥王星的新視野號，每天也能傳回約20MB的數據，讓我們得以探索冥王星上冰下海的蹤跡。

咱們的嫦娥任務產生的信號的地面接收用到的是我國幾面較大的射電望遠鏡/測控站天線，包括：雲南昆明40米望遠鏡、北京密雲50米望遠鏡、上海天馬65米望遠鏡、新疆喀什35米深空測控站、黑龍江佳木斯64米深空測控站，中國現在還在尋求在阿根廷、澳大利亞等地建立海外陸基測控站。當然，坑已經基本填好，馬上就要在今年9月開光的貴州500米口徑球面射電望遠鏡FAST如果參與深空支持，還將以其靈敏度優勢極大的提升深空數據傳輸速率。

多面天線的組合使用不僅能增大總接收面積、提升信噪比，還能有效提升整個系統的穩健性。相比於相同接收面積的單個鏡面，多個小口徑天線其每一個的主波束更寬，有利於對沖望遠鏡指向可能出現的微小誤差。相距幾千公里的這些射電望遠鏡組成的陣列更是可以進行甚長基線干涉，準確測定航天器的位置。

總之造這麼多鋼鐵巨獸，不僅僅是為了讓我們能在月球上QQ視頻——不過也許有一天，這些努力終究會讓我們真的可以在月球基地聊個痛吧！

以上。

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本文由科普中國移動端出品，轉載請註明出處。

不管是想用QQ在月地、銀河系內外、古代和現代、不同維度間通信，都跟QQ本身技術能力半毛錢沒有，關鍵是通信商夠不夠能力發衛星建基站到地外軌道、銀河系、各個朝代和維度，以及終端生產商能不能把各類能裝QQ的設備賣到各個時間空間。
然後現在的科技當然可以實現地月聊QQ，否則空間站那些人怎麼一天到晚發推特的。

充個會員就能實現

會有+1S的延遲。

要不然60年代上月球是怎麼通信的，通信衛星完全是成熟的技術，不同的只是客戶端不同讓QQ大金主爸爸加一個廣告而已，衛星帶寬現在也能達到多媒體上下載的要求，我一個朋友就天天在海上用他的衛星手機刷論壇，不過那個平行世界的科技樹本來就比我們發達，人家2016年土星基地都有了，咱們月球都懶得回去，不同的世界觀不是一個技術梯度，在我們的世界觀里問可行性是沒有意義的

作為一名偽文藝青年、前通信工程從業者和獨立日的粉絲，我決定先扯兩句情懷再作答。

想當年看獨立日的時候，用的是宿舍電腦，租的的是兩塊錢一張的vcd，邊吃西瓜，邊吹風扇啊，間隔上還有幾次馬賽克......說真的當時是沖著傑夫·高布倫去的，結果發現威爾·史密斯這小夥子演的也不錯，有前途。快看到最後的時候還冒出了一個想法：這片子應該拿去評米版五個一工程！嗯，嚴重偏題了......

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知道有些同學沒耐心，我這裡直接給出結論：從月球到地球用QQ視頻不但未來是可行，現在也是可行的。接下來我詳細的科普一下，如果有通信專業或者從事微波通信甚至衛星通信的同學路過，請輕砸，畢竟這是我的第一篇科普文。

我們都知道，現在大家用的手機是通過基站打電話的，而基站一般是通過光纖連接到移動公司交換機的，也有一些偏遠地區或者走光纖比較困難的地方是通過微波連接的，沒走神的同學應該意識到了，我們就從這個微波開始講起。

微波通信我們在生活中其實也挺常見的，不光是中國鐵塔上面的那些小鍋，以前在戶外時不時的就能看見一些大鍋(現在因為光纖的普及，大鍋有些少了)，這些大鍋就是靠微波中轉電視、電話、電報、傳真、文字、圖片等等你能想像到的任何長途通信內容。

我們這裡以手機通信為例說說怎麼通過微波實現上網的，說到上網，大家都很清楚，計算機世界玩的就是0和1，從你打開手機瀏覽器那一刻起，你的所有網路請求都會被轉換成0和1，然後通過手機天線傳輸到鐵塔公司的基站。假設你正在三亞的某個海島上曬日光浴，得意之間想要跟朋友分享一下通過兩條大腿看到的美女，這時候QQ就用上了，你的視頻通過手機連到基站，基站通過微波連到大陸的基站，大陸的基站再通過光纖連到移動公司，再通過微波或者光纖再到基站，然後到你那個正宅在家裡跟蒼老師進行高層次溝通的好基友手機上，「你妹！」這就是整個QQ視頻的通信過程，你在地球上任何地方使用QQ或者任何其它的工具進行通信，都繞不開這個過程。

基本上就是這張圖描述的樣子，圖片來自百度。

有找事的同學說了，我在家用的是貓，用的是光纖！你丫就算是用腦波跟蒼老師視頻，也得經過這個過程，因為我們現在的計算機網路通信大多數都是通過TCP或者UDP協議來完成的（至於少數派協議是那些，能幹什麼，請百度，請相信我，不會死的），這是現代計算機網路的標準，任何要在互聯網上跑的軟體都得使用這兩個協議之一，以前用的56k貓，現在的ADSL和光貓還有手機上網都要使用這兩個協議，細心的同學會發現，這些能讓我們上網的設備都需要貓，這些設備雖然不一樣，用的貓也不一樣，但是這些貓都有一個共同點，就是把兩種不同的信號進行轉換，讓你看到好基友的蒼老師，也能讓好基友看到你大腿間的美女，讓兩個美女通過電波傳輸到異地需要靠無數的軟硬體工程師設計和管理不同的信號轉換設備才能完成。

之所以扯那麼多就是想告訴大家，只要兩個地方有網路，也不管這兩個網路之間是通過微波還是光纖連接，甚至是其它一些手段，這些信號就能通過相應的貓實現網路通信，也就能使用QQ進行視頻。又有人說了，你說的是地球上的事情，跟題主問的無關，那麼我們來探討一下太空里的事情，同時說說現在技術界都在幹嘛。

其實人類很早就能跟月球通信了，舉個栗子，1969年米國就直播了阿姆斯特朗登月，雖然有人會說是延遲了幾分鐘，但是這個延遲不代表不能。當然我也沒說在我黨的領導下，在麻花疼的折騰下無線電波傳輸速度變快了，給大家看個圖，這個圖是我從工作中順便截圖來的，就是順便顯擺一下的意思。

地球到月球之間的距離是38.4萬公里，一束電磁波從月球傳輸到地球大概需要1.28秒（嗯，這兩句我百度的）。一般的設備處理能力都是有限的，我們假設這個電磁波從月球傳輸回地球有1.5秒的延遲，我的天哪！1.5秒，這是什麼概念？也就是你用聯通，你基友用小區寬頻造成的延時，雖然會有點卡，但是能用，你還是能跟基友家裡的蒼老師互動一下的，我估計好多人應該有過這個體驗的。

肯定也有人說電磁波干擾太大，不穩定，帶寬窄，延時更長，那我就說說現在人類搞的幾件事，2014年，NASA搞了一個實驗，通過激光跟月球進行通信，達到了622Mbps的速度，說實話，我一開始也不相信，但是這是事實啊！另外同年義大利人也搞了一個實驗，可以通過量子實現太空通信，而且效率相當高（速度多高百度不知道），現在你相信了吧，雖然不知道電影裡面那個巨大的發射塔用的是什麼技術，但是1.5秒的延時是可以實現的，也就是說，麻花疼在花錢貼片前是經過調研的，人家不傻。至於國內通信界在研究什麼，我現在真不知道了，已經脫離圈子好多年，我也希望中國的登月計劃能用到中國的量子通信。

調皮的同學可能還會說，哥們，我們要實時視頻！其實說到實時，是沒有人或者技術能實現的，這本身就是一個偽命題，實時只是相對於人的感知而言的。跟地面通信相比，地月通信最大的障礙是地月距離，這個38.4萬公里造成了任何手段都會有延時，而且延時絕對不會低於1.28秒，如果在這種情況下你還想實現接近於地面通信的效果，就只能靠你在地球和月球之間打一個蟲洞了。

====================預告：以下內容過於枯燥，但是看了會受益無窮，以後能分分鐘看懂各類科幻大片的梗====================

說道蟲洞，大家或多或少的都知道一些，現在很多科幻劇裡面都有蟲洞的身影，例如近兩年最火的《星際穿越》，主人公通過黑洞能夠看到過去發生的事情，出來的時候還跟進去的時候一樣的年輕。等一下，怎麼又出現了黑洞？其實是這樣子的，蟲洞的入口就叫做黑洞，黑洞是通過愛因斯坦引力場方程計算出來的，其實就是在密度無限大，體積無限小時候的方程極值，欲知此方程如何分解，下文不說，你得自己去學微分方程和廣義相對論了。

這個方程看起來挺簡單，但是解起來挺費勁，就連我這樣的物理學天才都不容易精確的計算出來(實際上我的物理學家夢在解完伯努利方程後就戛然而止了)，黑洞在這個極值情況下，出現的物理學特徵就是時空彎曲，引力巨大，速度無窮大，連光線路過會被掰彎，進去了就出不來。黑洞這簡直是秒殺一切的存在，它可以吸收任何物體，通過黑洞進入蟲洞後會發生什麼，沒有人能知道，但是計算認為蟲洞裡面時間是靜止的，這也是星際穿越的主人公在逃出蟲洞的時候為什麼會跟以前一樣年輕。

蟲洞的出口也有名字，叫做白洞，如果你看懂了引力場方程就會知道，白洞的密度無限小，它吸引不了任何物質，蟲洞裡面的任何物質包括光、引力都會往外跑。說到這裡同學們千萬不要以為你能從黑洞出去就能從白洞出來，你還有可能找不到出口的，沒有人知道你進去的黑洞是跟哪個白洞連接的，萬一你遇到的都是黑洞，當然了你是不可能從黑洞出來的。

蟲洞實在是太誘人了，他滿足了人類對未來的一切幻想，劍橋大學霍金教授就是專門研究黑洞的形成，他的粉絲和朋友加州理工大學謝爾頓·庫珀博士主攻弦論，通俗的說來就是萬事萬物都是由一系列的能量弦線組成，蟲洞屬於十維空間，謝爾頓博士為蟲洞理論做出了傑出的貢獻，未來蟲洞理論的突破在我看來就要仰仗他了。

看完蟲洞的介紹，大家可能會覺得要在地月之間打一個蟲洞實在太危險了，搞不好能把地球和月球吸進去，也沒有那麼大的能量支撐。實際上人類已經開始著手製造黑洞了，美國人、歐洲人、中國人都已經搞出了人工黑洞，人工黑洞雖然持續時間短暫、能量很小，但是科學家們認為總有一天會製造出來一個穩定的能夠裝在口袋裡的黑洞（這話不是我說的，源頭去找Nature）。

說到這裡就萬事俱備只欠東風了，我覺得大家可以搞一個QQ請願，強烈建議麻花疼通過二級市場增發收購中國黑洞，為早日實現星際實時通信做出貢獻。

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作為一個老科幻迷，我相信好多人在看完我的回答後會產生一個想法，自己也能寫科幻大作了。是的，反正都是跟蟲洞相關的，就看誰的膽子大，想像力豐富了。其實這些年科幻有些停滯，三十年如一日的講穿越蟲洞的新世界和倫理，包括《星際穿越》也是一樣的老套路，不過是動畫特效做的很不錯。我給大家拋塊磚：引力波。為什麼？因為兩個黑洞碰一下就會發出引力波，它剛剛被發現，出身文科的科幻作家還沒反應過來是什麼呢，理工科的同學在這個方向上有先天優勢。

上道的同學如果想試水科幻片可以研究下動作捕捉設備，還沒看明白但是懂英語的同學可以看看紀錄片《Through the Wormhole with Morgan
Freeman》，該片語言詼諧、形象生動，是你了解蟲洞的不二佳作。沒看明白也不懂英語的同學該幹啥幹啥去吧，你就算想混科幻界最多也就是穿越蟲洞回到過去、拯救初戀、牽手一生的老套路。

其實我覺得問題的重點是QQ擊敗Skype，MSN等軟體，成功佔領地月通信市場真的可以實現嗎？

忽然發現說了半天沒回答到點子上，地月的話，可以實現的，現在技術可以做到把地月之間弄成一根「網線」，只不過單向時延至少1.28s（目前好像還沒超光速通信的解決方案），如果用QQ視頻通話的話，語音時延估計至少2秒，視頻時延不清楚應該可以做到10s內吧。。

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技術瓶頸不在應用層，而在物理層。
通俗點，就是瓶頸是兩邊用來接收發射信號的設備用到的技術上。
1.信號發射，傳播，接收等純物理的技術（信號需要多大功率發射硬體是否可以滿足，傳播損耗，接收後信號是否可以正常辨識）
2.時延問題
3.帶寬有限的情況下會涉及物理層/傳輸層/應用層的編解碼、壓縮等技術（通信提供的帶寬滿足不了視頻通話需要的帶寬）

然而這些問題都和QQ么有關係~最多
1.視頻的編解碼壓縮等技術的應用需要QQ客戶端來實現~
2.高時延情況下不斷線的機制（個人感覺也就是把計數器調大）
可以參考下面這個問題:
https://www.zhihu.com/question/28044133

即時通話我信，但沒個1秒的延遲就太扯了。38萬千米，光都要跑1秒多。我說的話你聽到思考加答覆再到我聽到，至少要經過3秒吧

現在時間坐標是2016年，世界首個量子衛星已經升空一個多月。

理論計算，地月距離1.28光秒，如果要實現電影中視頻聊天，使用現在成熟的電磁波技術通訊的話，至少會出現2.56秒的延遲。情景如下

男主：hello
1，2，3.
女主：hi
1，2，3

這樣的延遲，用戶體驗完全沒辦法正常聊天。所以應該使用量子通訊技術。實時通訊，毫無痛點。

通信狗表示：這跟QQ公司沒有半毛錢關係，是通信廣大苦逼們不斷努力的結果好嗎!

@ponyma

好看嗎

技術上現在應該不是很大瓶頸了，別忘了當年阿波羅登月的時候就實現了現場電視直播，只不過那時候視頻是單向而已

我不知道會不會實現，但是我知道騰訊打的這波廣告已經足了。樓主是國內人，都有這麼疑問，那那些不懂騰訊，看了電影后的外國人是不是回家後打開電腦，谷歌一下 QQ，查看是否有電影中的功能啊？或許其中更不乏註冊下載個QQ的人呢？帶著這麼多疑問，是不是關注QQ背後的騰訊的人多了啊？那不就是增加一波知名度了嘛～所以騰訊的目的是在這兒。再說鄙人認為首發這個功能的不一定是騰訊。

這事情好像在技術上容易的很，NASA已經實現了國際空間站人員同地面視頻通話，大規模實施的前提是天空旅遊成為現實，那樣通訊的需求必然膨脹，隨之配套的住宿，餐飲之類必將提上日程。

還沒看電影，不知道啥情節，最高票那個答案寫了一堆測控網啥的，我覺著沒答到點上啊，地月距離那麼遠，再加上各種網關，中繼的延時咋也得5秒了，所以實時視頻夠嗆

目前做不到，主要是做不到網路的數據同步。不過目前有理論方案，量子通訊，但不確定什麼時候能實用。

那得看馬化騰願意給多少錢了。你沒看到宇航員都爭著喝蒙牛了嗎

多問問那些神經病