NASA z sukcesem eksperymentuje z antenami optycznymi, otwierając nowy rozdział w kosmicznej komunikacji laserowej

Niedawno NASA ogłosiła, że ​​antena hybrydowa sieci Deep Space Network (DSN) z powodzeniem śledzi i dekoduje sygnały laserowe w bliskiej podczerwieni ze statku kosmicznego „Prosaic”.
Ta eksperymentalna antena ma nie tylko możliwość odbioru sygnałów RF, ale także z powodzeniem realizuje odbiór i przetwarzanie sygnałów optycznych, co stwarza nowe możliwości rozwoju technologii komunikacji laserowej w przestrzeni kosmicznej.
W tym eksperymencie antena pomyślnie namierzyła sygnały laserowe RF i bliskiej podczerwieni emitowane przez statek kosmiczny Psyker podczas jego lotu w głąb kosmosu, co demonstruje potencjał gigantycznej anteny talerzowej DSN w zakresie przejścia na komunikację optyczną/laserową. To przejście nie tylko usprawni eksplorację kosmosu, ale zapewni także solidniejsze wsparcie dla sieci kosmicznych w miarę wzrostu wymagań sieciowych.
Antena hybrydowa, nazwana Deep Space Station 13, znajduje się w Goldstone Deep Space Communications Center w pobliżu Barstow w Kalifornii. Od listopada 2023 r. śledzi lasery łącza w dół na potrzeby demonstracji technologii NASA Deep Space Optical Communications (DSOC). Latający nadajnik-odbiornik laserowy do celów tej demonstracji technologii znajduje się na pokładzie statku kosmicznego Psyker wystrzelonego przez agencję 13 października 2023 r.
Programami DSN, DSOC i Psyche zarządza Laboratorium Napędów Odrzutowych (JPL) NASA w południowej Kalifornii. „Wkrótce po rozpoczęciu demonstracji technologii nasza antena hybrydowa pomyślnie i niezawodnie połączyła się z łączem w dół DSOC i odebrała sygnał o częstotliwości radiowej Psyche. Jest to kamień milowy w naszej pierwszej zsynchronizowanej komunikacji kosmicznej w częstotliwości radiowej i optycznej”.
Pod koniec 2023 roku antena hybrydowa pobrała dane ze statku kosmicznego Pursek znajdującego się w odległości 32 milionów kilometrów stąd z szybkością 15,63 megabitów na sekundę, czyli około 40 razy szybciej niż komunikacja radiowa w przestrzeni kosmicznej. ta sama odległość. Do 1 stycznia 2024 r. antena pomyślnie pobrała kolejne zdjęcie zespołu, które zostało przesłane do DSOC przed wystrzeleniem Psykera.
Konkretne mechanizmy
Aby umożliwić detekcję fotonów laserowych, wewnątrz anteny hybrydowej zamontowano siedem niezwykle precyzyjnych luster segmentowych. Zwierciadła te naśladują aperturę zbierającą światło teleskopu o aperturze 3,3- stopy (1- metra), a gdy fotony laserowe docierają do anteny, każde zwierciadło odbija fotony i przekierowuje je precyzyjnie w stronę wysokiej aparat ekspozycyjny. Sygnały laserowe zebrane przez kamerę są następnie przesyłane światłowodem do chłodzonego kriogenicznie półprzewodnikowego detektora pojedynczych fotonów nanodrutowego, który został zaprojektowany i skonstruowany przez Laboratorium Mikrourządzeń w Laboratorium Napędów Odrzutowych (JPL).
Barzia Tehrani, zastępca menedżera i kierownik ds. dostaw w firmie JPL ds. naziemnych systemów komunikacji z antenami hybrydowymi, powiedział: „Jest to wysoce kompatybilny system optyczny zbudowany na elastycznej konstrukcji o długości 34-metra. Wykorzystujemy system luster, precyzyjnych czujników i kamer do aktywnie wyrównuj i prowadź światło lasera z głębokiej przestrzeni kosmicznej do światłowodu docierającego do detektora.”
Ujawnił także, że zespół ma nadzieję, że w przyszłości antena będzie w stanie wykrywać sygnały laserowe pochodzące z Marsa w jego najdalszym punkcie od Ziemi (2,5-krotność odległości od Słońca do Ziemi). Psyker osiągnie tę odległość w czerwcu, udając się do głównego pasa asteroid pomiędzy Marsem a Jowiszem, aby zbadać bogatą w metal asteroidę Psyker.
Siedmiosegmentowe zwierciadło na antenie stanowi dowód słuszności koncepcji, która umożliwi w przyszłości użycie znacznie większego i potężniejszego 64-lustra segmentowego – odpowiednika 26-stopy ({{ 6}}metrowy) teleskop z aperturą.
Rozwiązania infrastrukturalne
DSOC toruje drogę komunikacji z większą szybkością transmisji danych, umożliwiającej przesyłanie złożonych informacji naukowych, wideo i obrazów w wysokiej rozdzielczości, w ramach wsparcia kolejnego gigantycznego skoku ludzkości: wysłania ludzi na Marsa. Niedawna demonstracja tej technologii umożliwiła pomyślną transmisję pierwszego wideo o ultrawysokiej rozdzielczości z kosmosu z rekordową szybkością transmisji, co stanowi poważny przełom w komunikacji w przestrzeni kosmicznej.
Sieć DSN (Deep Space Network) ma 14 lokalizacji na całym świecie, zlokalizowanych w Kalifornii, Madrycie i Canberze w Australii. Te anteny hybrydowe są w stanie odbierać duże ilości danych za pomocą komunikacji optycznej, uzupełnionej częstotliwościami radiowymi w celu odbierania danych o mniejszym paśmie, takich jak dane telemetryczne (w tym informacje o stanie statku kosmicznego i pozycji).