相对论航行中的时序关系及其带来的通信挑战

向以近光速进行发射—着陆星际航行的航天器发送及由其接收的通信面临重大挑战。基于光子的通信受到巨大光子传播延迟与相对论性时间膨胀的显著影响。本文针对具体任务场景，分析并图示了以起点、目的地及航天器上本地时钟所测得的光子传输通信时序。这些场景包括经历无限恒定自加速的航天器，以及发射—着陆任务：航天器在巡航阶段前半段经历恒定加速、后半段经历同等减速。假定起点与目的地处于同一惯性系中静止，且彼此间距在很大范围内固定。考虑了若干典型通信模式，包括单向消息传递、带预期响应的双向消息查询，以及播客或视频等长效节目的单向流式传输。文中包含了通信实体所经历的本地时钟相对时序，含时钟映像（单向通信中发送与接收时钟的对应关系）、查询—响应延迟（查询消息发出至收到响应消息之间经过的时间），以及流式节目的时间扭曲（时间轴的非线性拉伸或收缩）。尤其值得注意的是，除发射后或着陆前短暂区间外，巨大的查询—响应延迟严重限制了远程控制与社会交互。当光子必须与航天器同向传播时，通信中断强烈限制了可行通信的时间段，并减少了单向与双向通信的机会。