Гібридна антена NASA відкриває нову еру далекого космічного лазерного зв’язку

Впровадження NASA гібридної антени в DSN знаменує значний прогрес у космічному зв’язку, забезпечуючи швидшу передачу даних і задовольняючи потреби майбутніх досліджень. Здатна приймати як радіочастотні, так і оптичні сигнали, гібридна антена DSN відстежує та декодує лазер на низхідній лінії зв’язку з DSOC на борту місії NASA Psyche.

Експериментальна антена отримала як радіочастотні сигнали, так і лазерні сигнали ближнього інфрачервоного діапазону від космічного корабля НАСА «Психея», коли він подорожує крізь глибокий космос. Це показує, що гігантські тарілки мережі NASA Deep Space Network (DSN), які спілкуються з космічними кораблями через радіохвилі, можуть бути модернізовані для оптичного або лазерного зв’язку. Упаковуючи більше даних у передачі, оптичний зв’язок забезпечить нові можливості дослідження космосу, одночасно підтримуючи DSN, оскільки попит на мережу зростає.

Удосконалення комунікацій у глибокому космосі

34-метрова (112-футова) радіочастотно-оптична гібридна антена під назвою Deep Space Station 13 відстежує лазер низхідної лінії зв’язку з демонстрації технології Deep Space Optical Communications (DSOC) з листопада 2023 року. Технічна демонстрація польотного лазерного трансивера (див. зображення нижче) їде з космічним кораблем агентства Psyche, який стартував 13 жовтня 2023 року.

Гібридна антена розташована в Голдстоунському комунікаційному комплексі DSN у глибокому космосі поблизу Барстоу, штат Каліфорнія, і не є частиною експерименту DSOC. DSN, DSOC і Psyche управляються Лабораторією реактивного руху NASA в Південній Каліфорнії.

«Наша гібридна антена змогла успішно та надійно зафіксувати та відстежити низхідну лінію DSOC незабаром після запуску технічної демонстрації», — сказала Емі Сміт, заступник менеджера DSN у JPL. «Він також отримав радіочастотний сигнал Психеї, тож ми вперше продемонстрували синхронний радіо- та оптичний зв’язок у глибокому космосі».

Наприкінці 2023 року гібридна антена передала дані з відстані 20 мільйонів миль (32 мільйони кілометрів) зі швидкістю 15,63 мегабіт на секунду – приблизно в 40 разів швидше, ніж радіочастотний зв’язок на цій відстані. 1 січня 2024 року антена передала групову фотографію, яка була завантажена в DSOC перед запуском Psyche.

Прорив подвійних функціональних можливостей

Щоб виявити фотони лазера (квантові частинки світла), сім надточних сегментованих дзеркал було прикріплено до внутрішньої сторони вигнутої поверхні гібридної антени. Подібні до шестикутних дзеркал космічного телескопа Джеймса Вебба НАСА, ці сегменти імітують світлозбірну апертуру телескопа з апертурою 3,3 фута (1 метр). Коли лазерні фотони потрапляють на антену, кожне дзеркало відбиває фотони й точно перенаправляє їх у камеру високої експозиції, прикріплену до субрефлектора антени, підвішеного над центром тарілки.

Лазерний сигнал, зібраний камерою, потім передається через оптичне волокно, яке подається в кріогенно охолоджуваний напівпровідниковий нанодротяний детектор одного фотона. Розроблений і створений Лабораторією мікропристроїв JPL, детектор ідентичний тому (див. зображення нижче), який використовується в Паломарській обсерваторії Каліфорнійського технологічного інституту в окрузі Сан-Дієго, штат Каліфорнія, яка діє як наземна станція DSOC.

«Це високотолерантна оптична система, побудована на 34-метровій гнучкій конструкції», — сказав Барзія Тегерані, заступник менеджера з наземних систем зв’язку та менеджер з доставки гібридної антени в JPL. «Ми використовуємо систему дзеркал, точних датчиків і камер, щоб активно вирівнювати та направляти лазер із глибокого космосу на волокно, яке досягає детектора».

Тегеран сподівається, що антена буде достатньо чутливою, щоб виявити лазерний сигнал, який надсилається з Марса в найвіддаленішій від Землі точці (у 2,5 раза більше відстані від Сонця до Землі). Психея опиниться на цій відстані в червні на шляху до головного поясу астероїдів між Марсом і Юпітером, щоб дослідити багатий на метал астероїд Психея.

Семисегментний рефлектор на антені є доказом концепції для збільшеної та потужнішої версії з 64 сегментами – еквівалент 26-футового (8-метрового) телескопа з апертурою – який можна буде використовувати в майбутньому.