Eksperyment NASA DSOC przeprowadzony na pokładzie statku kosmicznego Psyche z powodzeniem zademonstrował komunikację optyczną na duże odległości przy użyciu lasera na podczerwień w odległości ponad 16 milionów mil. Kamień milowy, zarządzany przez Laboratorium Napędów Odrzutowych NASA, oznacza znaczący postęp w technologii komunikacji kosmicznej, który zapewnia wyższą szybkość przesyłania danych w przyszłych misjach kosmicznych. Źródło: NASA/JPL-Caltech
DSOC, eksperyment, który zmieni sposób komunikowania się statków kosmicznych, po raz pierwszy osiągnął „pierwsze światło”, wysyłając dane z Księżyca i dalej za pomocą lasera.
W ramach eksperymentu NASA Deep Space Optical Communications (DSOC) wyemitowano wiązkę lasera podczerwonego z odległości prawie 10 milionów mil (16 milionów kilometrów), czyli około 40 razy większej odległości od Ziemi do Księżyca, wraz z danymi eksperymentalnymi z Teleskopu Hale’a w Palomar w Caltech. Obserwatorium w hrabstwie San Diego w Kalifornii. Jest to najbardziej odległa demonstracja komunikacji optycznej.
Na pokładzie niedawno wystrzelonego statku kosmicznego Psych DSOC ma przesyłać na Ziemię dane testowe o wysokiej częstotliwości podczas dwuletniej demonstracji technologii. Wtorek I Czwartek. NASALaboratorium Napędów Odrzutowych (JBL_ Zarządza DSOC i Psyche w południowej Kalifornii.
Należący do NASA statek kosmiczny Psyche pokazano w czystym pomieszczeniu w ośrodku Astrotech Space Operations Facility w pobliżu Centrum Kosmicznego im. Kennedy’ego na Florydzie, 8 grudnia 2022 r. Na statku kosmicznym można zobaczyć pozłacany laserowy nadajnik-odbiornik DSOC. Źródło: NASA/Ben Smegelsky
Tech Demo osiągnęło „pierwsze światło” we wczesnych godzinach porannych 14 listopada po tym, jak jego pokładowy laserowy nadajnik-odbiornik – wyrafinowany instrument na Psyche (patrz zdjęcie poniżej) zdolny do transmitowania i odbierania sygnałów w bliskiej podczerwieni – został namierzony na potężną latarnię laserową łącza zwrotnego. Zostało wysłane z laboratorium Teleskopu Komunikacji Optycznej w ośrodku JPL w Table Mountain Facility w pobliżu Wrightwood w Kalifornii. Latarnia łącza w górę umożliwiła transiwerowi skierowanie lasera łącza w dół z powrotem do Palomar (100 mil, czyli 130 kilometrów na południe od Góry Stołowej).
Laserowy nadajnik-odbiornik demonstracyjny technologii głębokiej komunikacji optycznej (DSOC) został pokazany w kwietniu 2021 r. w laboratorium napędu odrzutowego NASA w południowej Kalifornii, zanim został zainstalowany w przypominającej pudełko obudowie, a następnie zintegrowany ze statkiem kosmicznym Psyche NASA. Transceiver składa się z nadajnika laserowego działającego w bliskiej podczerwieni, służącego do przesyłania danych z dużą szybkością na Ziemię, oraz czułej kamery zliczającej fotony, która odbiera dane z niską szybkością przesyłane z Ziemi. Transceiver jest zamontowany na zestawie rozpórek i siłowników – pokazanych na tym zdjęciu – które stabilizują optykę przed wibracjami statku kosmicznego. Źródło: NASA/JPL-Caltech
„Osiągnięcie pierwszego światła w nadchodzących miesiącach to jeden z kilku ważnych kamieni milowych DSOC w nadchodzących miesiącach, wspierający kolejny gigantyczny krok ludzkości w kierunku komunikacji o dużej szybkości transmisji danych, zdolnej do przesyłania informacji naukowych, obrazów w wysokiej rozdzielczości i strumieniowego przesyłania wideo: Wysłanie ludzi na Marsapowiedziała Trudy Cortes, dyrektor ds. wyjaśnień technicznych w siedzibie NASA w Waszyngtonie.
Dane testowe były również przesyłane jednocześnie za pomocą laserów łącza w górę i w dół, co było znane jako „zamykanie łącza”, co było głównym celem testu. Chociaż demonstracja technologii nie transmituje danych z misji Psyche, DSOC ściśle współpracuje z zespołem wsparcia misji Psyche, aby zapewnić, że operacje nie kolidują z operacjami statku kosmicznego.
Dowiedz się więcej o tym, jak po raz pierwszy technologia DSOC zostanie wykorzystana do przetestowania transmisji danych o dużej przepustowości poza Księżyc i jak zmieni ona eksplorację głębokiego kosmosu. Źródło: NASA/JPL-Caltech/ASU
„Zespoły DSOC i Psych Operations muszą współpracować” – powiedziała Meera Srinivasan, dyrektor ds. operacyjnych DSOC w JBL. Potrafi wysyłać, odbierać i dekodować dane”.
Przed osiągnięciem tego wyczynu projekt wymagał sprawdzenia pól w kilku kluczowych momentach, od zdjęcia osłony ochronnej pokładowego nadajnika-odbiornika laserowego po obsługę instrumentu. W międzyczasie statek kosmiczny Psyche przeprowadza własne eksperymenty, w tym modernizuje swoje systemy napędowe i testuje instrumenty, które zostaną wykorzystane do badania asteroidy Psyche, gdy dotrze tam w 2028 roku.
Zespół ds. operacji lotniczych nadajników-odbiorników laserowych na potrzeby demonstracji technicznej DSOC (Deep Space Optical Communications) NASA pracował w obszarze wsparcia misji Psych w JPL we wczesnych godzinach porannych 14 listopada, kiedy program osiągnął „pierwsze światło”. Źródło: NASA/JPL-Caltech
Pierwsze światło i pierwsze bity
Po pomyślnej pierwszej wiązce zespół DSOC będzie teraz pracować nad udoskonaleniem systemów kontrolujących skierowanie lasera łącza w dół na transceiver. Po osiągnięciu tego celu projekt będzie mógł rozpocząć misję polegającą na utrzymaniu transmisji danych o dużej przepustowości z nadajnika-odbiornika do Palomar w różnych odległościach od Ziemi. Dane te mają postać bitów (najmniejszych jednostek danych, jakie może przetworzyć komputer) zakodowanych w fotonach lasera — kwantowych cząstkach światła. Po tym, jak specjalny nadprzewodzący układ detektorów o wysokiej wydajności (patrz zdjęcie poniżej) wykryje fotony, stosuje się nowe techniki przetwarzania sygnału w celu wyodrębnienia danych z pojedynczych fotonów docierających do teleskopu Hale’a.
Powyżej pokazana jest replika nadprzewodnikowego detektora pojedynczych fotonów nanodrutu Deep Space Optical Communications, w skrócie DSOC, przymocowanego do 200-calowego (5,1-metrowego) Teleskopu Hale’a znajdującego się w laboratorium Palomar firmy Caltech w hrabstwie San Diego w Kalifornii. Detektor, zbudowany przez Micro Devices Laboratory w Jet Propulsion Laboratory NASA w południowej Kalifornii, jest przeznaczony do odbierania sygnałów lasera w podczerwieni z nadajnika-odbiornika lotu DSOC podróżującego z misją Psych NASA w głębokim kosmosie w ramach wymagań technicznych. Źródło: NASA/JPL-Caltech
Eksperyment DSOC ma na celu wykazanie szybkości przesyłania danych od 10 do 100 razy wyższych niż w najbardziej wyrafinowanych systemach częstotliwości radiowych używanych obecnie przez statki kosmiczne. Zarówno komunikacja radiowa, jak i laserowa w bliskiej podczerwieni wykorzystuje do przesyłania danych fale elektromagnetyczne, ale światło bliskiej podczerwieni kompresuje dane w znacznie ciaśniejsze fale, dzięki czemu stacje naziemne mogą otrzymać więcej danych. Umożliwi przyszłe misje eksploracyjne za pomocą ludzi i robotów oraz będzie wspierać instrumenty naukowe o wysokiej rozdzielczości.
„Komunikacja optyczna jest dobrodziejstwem dla naukowców i badaczy i umożliwi ludziom eksplorację głębokiego kosmosu” – powiedział dr Jason Mitchell, dyrektor działu zaawansowanej komunikacji i technologii nawigacji w NASA w dziale komunikacji kosmicznej i nawigacji. (SCaN). „Więcej danych oznacza więcej innowacji”.
Chociaż komunikację optyczną wykazano na niskiej orbicie okołoziemskiej i poza Księżycem, DSOC jest pierwszym eksperymentem w głębokim kosmosie. Skierowanie wiązki lasera na odległość milionów mil wymaga bardzo precyzyjnego „wskaźnika”, podobnie jak użycie wskaźnika laserowego do śledzenia poruszającej się monety z odległości mili.
Operatorzy naziemnych nadajników laserowych DSOC pozują do zdjęcia w Obserwatorium Teleskopu Optical Communications w ośrodku JPL w Table Mountain Facility niedaleko Wrightwood w Kalifornii, wkrótce po tym, jak demonstracja technologii osiągnęła „pierwsze światło” 14 listopada. Źródło: NASA/JPL-Caltech
Demonstracja powinna również zrekompensować czas potrzebny światłu na przebycie ogromnej odległości od statku kosmicznego do Ziemi: w odległości Psyche od naszej planety podróż powrotna wiązek podczerwieni DSOC zajmuje około 20 minut (przebycie trwało około 50 minut, sekund). z Psyche na Ziemię podczas eksperymentu z 14 listopada). W tym czasie zarówno statek kosmiczny, jak i planeta ulegną przemieszczeniu, więc lasery łącza w górę i w dół muszą dostosować się do zmiany lokalizacji.
„Osiągnięcie pierwszego światła to ogromne osiągnięcie. „Systemy naziemne z powodzeniem wykryły fotony lasera głębokiego kosmosu z pokładowego nadajnika-odbiornika DSOC na Psyche” – powiedział Abhi Biswas, technolog projektu DSOC w JBL. „Byliśmy w stanie wysłać trochę danych, czyli wymienić «kawałki światła» z głębokiego kosmosu do głębokiego kosmosu”.
Więcej o misji
DSOC to najnowsza misja komunikacji optycznej finansowana przez Dyrekcję Technologii Kosmicznych NASA oraz program Komunikacji Kosmicznej i Nawigacji (SCaN) w ramach Dyrekcji Misji Operacji Kosmicznych tej agencji.
Pracami psychologicznymi kieruje Arizona State University. JPL odpowiada za ogólne zarządzanie misją, inżynierię systemów, integrację i testowanie oraz operacje misji. Psyche to czternasta misja wybrana w ramach programu Discovery Programu NASA podlegającego Dyrekcji ds. Operacji Naukowych, zarządzanej przez Centrum Lotów Kosmicznych Marshalla w Huntsville w stanie Alabama. Usługą startu zarządzał program usług startowych NASA w Centrum Kosmicznym im. Kennedy’ego. Firma Maxar Technologies z Palo Alto w Kalifornii dostarczyła podwozie statku kosmicznego o dużej mocy z napędem słonecznym i elektrycznym.