Широкосмуговий зв’язок для Марса: лазерне посилення для зв’язку НАСА у далекому космосі

NASA тестує технології в космосі та на землі, які можуть збільшити пропускну здатність для передачі складніших наукових даних і навіть потокового відео з Марса. Проект NASA Deep Space Optical Communications (DSOC), який планується запустити цієї осені, перевірить, як лазери можуть пришвидшити передачу даних, що значно перевищує можливості сучасних радіочастотних систем, що використовуються в космосі. DSOC, відомий як демонстрація технології, може прокласти шлях до широкосмугового зв’язку, який допоможе підтримати наступний гігантський стрибок людства: коли NASA відправить астронавтів на Марс.

Лазерний трансивер ближнього інфрачервоного діапазону DSOC (пристрій, який може надсилати та отримувати дані) буде «контрейлером» місії NASA Psyche, коли він запуститься до багатого металом однойменного астероїда в жовтні. Протягом перших двох років подорожі трансивер спілкуватиметься з двома наземними станціями в Південній Каліфорнії, тестуючи високочутливі детектори, потужні лазерні передавачі та нові методи декодування сигналів, які трансивер надсилає з далекого космосу.

Потенціал оптичного зв’язку

«DSOC був розроблений, щоб продемонструвати від 10 до 100 разів більшу здатність віддачі даних, ніж найсучасніші радіосистеми, які сьогодні використовуються в космосі», — сказав Абі Бісвас, технолог проекту DSOC у Лабораторії реактивного руху НАСА в Південній Каліфорнії. «Лазерний зв’язок із високою смугою пропускання для навколоземної орбіти та супутників, що обертаються навколо Місяця, доведено, але глибокий космос створює нові виклики».

Зараз більше місій, ніж будь-коли, прямують у глибокий космос, і вони обіцяють отримати експоненціально більше даних, ніж попередні місії, у формі складних наукових вимірювань, зображень високої чіткості та відео. Таким чином, такі експерименти, як DSOC, відіграватимуть вирішальну роль, допомагаючи NASA розвивати технології, які в майбутньому можна буде регулярно використовувати космічними апаратами та наземними системами.

Телескоп Хейла в Паломарській обсерваторії Каліфорнійського технологічного інституту в окрузі Сан-Дієго, штат Каліфорнія, отримуватиме високошвидкісні дані по низхідній лінії зв’язку від польотного трансивера DSOC. Телескоп оснащений новим надпровідним детектором, який здатний визначати час надходження окремих фотонів із глибокого космосу. Авторство: Palomar/Caltech

«DSOC представляє наступний етап планів NASA щодо розробки революційно вдосконалених комунікаційних технологій, які мають можливість збільшити передачу даних із космосу, що має вирішальне значення для майбутніх амбіцій агентства», — сказала Труді Кортес, директор програми технологічних демонстраційних місій (TDM). в штаб-квартирі NASA у Вашингтоні. «Ми дуже раді, що маємо можливість випробувати цю технологію під час польоту Психеї».

Новаторські технології

Трансивер, що їздить на Психеї, має кілька нових технологій, включаючи камеру для підрахунку фотонів , яка ніколи раніше не літала, прикріплену до 8,6-дюймового (22-сантиметрового) телескопа з апертурою, який виступає збоку космічного корабля. Трансивер буде автономно сканувати та «фіксувати» високопотужний ближній інфрачервоний лазерний висхідний канал, що передається лабораторією телескопа оптичного зв’язку в Столовій горі JPL біля Райтвуда, Каліфорнія. Лазерна висхідна лінія також продемонструє надсилання команд на трансивер.

«Потужний лазер висхідної лінії зв’язку є важливою частиною цієї технічної демонстрації для підвищення швидкості космічних кораблів, а оновлення наших наземних систем забезпечать оптичний зв’язок для майбутніх місій у глибокому космосі», — сказав Джейсон Мітчелл, керівник програми космічного зв’язку та навігації NASA (SCaN) у штаб-квартирі НАСА.

Після підключення до лазера висхідної лінії зв’язку трансивер визначить 200-дюймовий (5,1-метровий) телескоп Хейла в Паломарській обсерваторії Каліфорнійського технологічного інституту в окрузі Сан-Дієго, штат Каліфорнія, приблизно за 100 миль (130 кілометрів) на південь від Столової гори. Потім трансивер використовуватиме свій лазер ближнього інфрачервоного діапазону для передачі високошвидкісних даних на Паломар. Вібрації космічного корабля, які інакше могли б відштовхнути лазер від цілі, будуть пом’якшені найсучаснішими опорами, що кріплять трансивер до Психеї.

Для отримання високошвидкісного лазера низхідної лінії зв’язку від трансивера DSOC телескоп Hale був оснащений новим надпровідним нанодротяним детектором одного фотона. Збірка кріогенно охолоджується, щоб можна було виявити один падаючий лазерний фотон (квантову частинку світла) і записати час його прибуття. Лазерне світло, передане у вигляді серії імпульсів, має подолати понад 200 мільйонів миль (300 мільйонів кілометрів) – найбільшу відстань, яку космічний корабель перебуватиме під час цієї технічної демонстрації – перш ніж слабкі сигнали можна буде виявити та обробити для отримання інформації.

«Кожен компонент DSOC демонструє нову технологію, від високопотужних лазерів висхідної лінії зв’язку до системи наведення на телескопі трансивера й до надзвичайно чутливих детекторів, які можуть підраховувати окремі фотони, коли вони надходять», — сказав Білл Кліпштейн з JPL, проект DSOC. менеджер. «Команді навіть потрібно було розробити нові методи обробки сигналів, щоб вичавити інформацію з таких слабких сигналів, що передаються на великі відстані».

Виклики та інновації

Величезні відстані створюють ще одну проблему для технічної демонстрації: чим далі подорожує Психея, тим довше фотонам знадобиться, щоб досягти місця призначення, створюючи затримку до десятків хвилин. Положення Землі та космічного корабля постійно змінюватимуться під час подорожі лазерних фотонів, тому це відставання потрібно буде компенсувати.

«Наведення лазера та фіксація на мільйони миль, маючи справу з відносним рухом Землі та Психеї, становить захоплююче завдання для нашого проекту», — сказав Бісвас.

Детальніше про місію

DSOC є останньою в серії демонстрацій оптичного зв’язку, фінансованих TDM і SCaN. JPL, підрозділ Каліфорнійського технологічного інституту в Пасадені, штат Каліфорнія, керує DSOC для TDM в Управлінні місій космічних технологій NASA та SCaN в Управлінні місій космічних операцій агентства. Джерело