NASA odbiera komunikaty laserowe z odległości ponad 240 milionów mil

Zespół przygotowuje statek kosmiczny NASA Psyche do wystrzelenia w ośrodku Astrotech Space Operations Facility w pobliżu Centrum Kosmicznego im. Kennedy'ego na Florydzie w dniu 8 grudnia 2022 r. Psyche zostanie wystrzelony na pokładzie rakiety SpaceX Falcon Heavy z Launch Complex 39A w Kennedy. Źródło: NASA/Ben Smigelsky

NASAEksperyment głębokiej komunikacji optycznej w przestrzeni kosmicznej również po raz pierwszy wszedł w interakcję z systemem komunikacyjnym statku kosmicznego Psyche, przesyłając dane inżynieryjne z powrotem na Ziemię.

Na pokładzie statku kosmicznego Psyche należącego do NASA demonstracja technologii komunikacji optycznej w przestrzeni kosmicznej nadal bije rekordy. Chociaż statek kosmiczny zmierzający na asteroidę nie wykorzystuje komunikacji optycznej do przesyłania danych, nowa technologia okazała się sprostać temu zadaniu. Po interakcji z nadajnikiem częstotliwości radiowej Psyche, laserowy wyświetlacz komunikacyjny przesłał kopię danych inżynieryjnych z odległości ponad 140 milionów mil (226 milionów kilometrów), co odpowiada półtorakrotności odległości między Ziemią a Słońcem.

To osiągnięcie daje wgląd w to, jak statki kosmiczne będą w przyszłości wykorzystywać komunikację optyczną, umożliwiając przesyłanie złożonych informacji naukowych z większą szybkością, a także obrazów i filmów w wysokiej rozdzielczości, aby wesprzeć kolejny gigantyczny krok ludzkości: wysłanie ludzi w przestrzeń kosmiczną. Mars.

Ta wizualizacja przedstawia pozycję statku kosmicznego Psyche w dniu 8 kwietnia, kiedy lotniczy laserowy nadajnik-odbiornik DSOC transmitował dane z szybkością 25 megabitów na sekundę na odległość 240 milionów mil do stacji łącza naziemnego na Ziemi. Źródło obrazu: NASA/JPL-Caltech

„Dostarczyliśmy około 10 minut zduplikowanych danych statku kosmicznego podczas jego przelotu 8 kwietnia” – powiedziała Meera Srinivasan, kierownik operacyjny projektu w Jet Propulsion Laboratory NASA w południowej Kalifornii. „Do tego czasu przesyłaliśmy dane testowe i diagnostyczne łączami w dół z Psyche. Stanowi to ważny kamień milowy dla projektu, ponieważ pokazuje, w jaki sposób komunikacja optyczna może współdziałać z systemem komunikacji na częstotliwości radiowej statku kosmicznego”.

Technologia komunikacji laserowej wykorzystana w tej demonstracji została zaprojektowana do przesyłania danych z głębokiego kosmosu z szybkością od 10 do 100 razy większą niż nowoczesne systemy częstotliwości radiowej wykorzystywane obecnie w misjach kosmicznych.

Po wystrzeleniu 13 października 2023 r. sonda pozostaje nienaruszona i stabilna podczas swojej podróży do głównego pasa asteroid pomiędzy Marsem a Ziemią. Jowisz Aby odwiedzić asteroidę.

Przekroczyć oczekiwania

Demonstracja NASA w zakresie komunikacji optycznej pokazała, że ​​może ona przesyłać dane testowe z maksymalną szybkością 267 megabitów na sekundę (Mb/s) z lasera działającego w bliskiej podczerwieni w nadajniku-odbiorniku laserowym – z szybkością transmisji podobną do prędkości pobierania szerokopasmowego Internetu.

Osiągnięto to 11 grudnia 2023 r., kiedy w ramach eksperymentu wysłano na Ziemię 15-sekundowy film o wysokiej rozdzielczości z odległości 31 milionów kilometrów, czyli około 80-krotności odległości między Ziemią a Księżycem. Wideo wraz z innymi danymi testowymi, w tym wersjami cyfrowymi, z Uniwersytetu Stanowego w Arizonie Inspirowane psychologicznie Grafika została przesłana do lotniczego nadajnika-odbiornika laserowego (patrz zdjęcie poniżej) przed wystrzeleniem Psyche w zeszłym roku.

Transceiver laserowy Deep Space Optical Communications (DSOC) zostanie wystawiony w laboratorium Jet Propulsion Laboratory NASA w południowej Kalifornii w kwietniu 2021 r., zanim zostanie zainstalowany w pudełkowatej obudowie, która została później zintegrowana ze statkiem kosmicznym Psyche NASA. Transceiver składa się z nadajnika laserowego działającego w bliskiej podczerwieni, który wysyła dane z dużą szybkością na Ziemię, oraz czułej kamery zliczającej fotony, która odbiera dane z niską prędkością wysyłane z Ziemi. Transceiver jest zamontowany na zestawie rozpórek i siłowników – pokazanych na tym zdjęciu – które stabilizują optykę przed wibracjami statku kosmicznego. Źródło obrazu: NASA/JPL-Caltech

Teraz, gdy statek kosmiczny znajduje się ponad siedem razy dalej, prędkość wysyłania i odbierania danych spadła, zgodnie z oczekiwaniami. Podczas testu przeprowadzonego 8 kwietnia statek kosmiczny transmitował dane testowe z maksymalną szybkością 25 Mb/s, co znacznie przekracza cel projektu, jakim było udowodnienie, że na tę odległość można osiągnąć co najmniej 1 Mb/s.

Zespół projektowy poinstruował także nadajnik-odbiornik, aby optycznie przesyłał dane generowane przez Psyche. Podczas gdy Psyche transmitowała dane za pośrednictwem kanału częstotliwości radiowej do należącej do NASA sieci Deep Space Network (DSN), system komunikacji optycznej jednocześnie przesłał część tych samych danych do Teleskopu Hale’a w Obserwatorium Palomar Caltech w hrabstwie San Diego w Kalifornii. demonstracja technologii stacji naziemnej łącza w dół.

„Po otrzymaniu danych z DSN i Palomar wizualnie zweryfikowaliśmy powiązane dane w Laboratorium Napędów Odrzutowychpowiedział Ken Andrews, kierownik operacji lotniczych projektu w JPL. „To była niewielka ilość danych przesłanych w krótkim czasie, ale fakt, że robimy to teraz, przekroczył nasze wszelkie oczekiwania”.

Zabawa z laserami

Po uruchomieniu Psyche wersja demonstracyjna komunikacji optycznej była początkowo wykorzystywana do łączenia wstępnie załadowanych danych, w tym danych Film z kotem Taters. Od tego czasu w ramach projektu udowodniono, że transceiver może odbierać dane z… Laser łącza zwrotnego o dużej mocy W zakładzie JPL Table Mountain, niedaleko Wrightwood w Kalifornii. Dane można także przesłać do nadajnika-odbiornika, a następnie tej samej nocy ponownie połączyć z Ziemią, jak wykazano w ramach projektu w niedawnym „eksperymencie transformacji”.

W ramach tego eksperymentu dane testowe – a także cyfrowe zdjęcia zwierząt domowych – zostały przesłane do Psyche i z powrotem, w obie strony na dystansie do 280 milionów mil (450 milionów kilometrów). Przekazano także duże ilości danych inżynieryjnych na potrzeby demonstracji technologii w celu zbadania właściwości optycznego łącza komunikacyjnego.

„Dowiedzieliśmy się wiele o tym, jak daleko możemy przesunąć system, gdy niebo jest czyste Burze „Czasami wstrzymywali działalność zarówno w Table Mountain, jak i w Palomar” – powiedział Ryan Rogalin, kierownik projektu ds. elektroniki odbiorników w JPL. (Chociaż łączność radiowa może działać w większości warunków pogodowych, komunikacja optyczna wymaga stosunkowo czystego nieba do przesyłania danych o dużej przepustowości).

Deep Space Station 13 w kompleksie Goldstone NASA w Kalifornii — część agencji Deep Space Network — to zmodernizowana antena eksperymentalna z końcówką optyczną. Początkowo w ramach tego dowodu koncepcji odbierano jednocześnie sygnały radiowe i laserowe z głębokiego kosmosu. Źródło obrazu: NASA/JPL-Caltech

Firma JPL przeprowadziła niedawno eksperyment mający na celu połączenie Palomar, eksperymentalnej anteny optycznej o częstotliwości radiowej w kompleksie łączności głębokiej przestrzeni kosmicznej Goldstone DSN w Barstow w Kalifornii oraz detektora w Table Mountain, aby wspólnie odbierać ten sam sygnał. „Rozmieszczenie” wielu stacji naziemnych tak, aby naśladowały jeden duży odbiornik, może pomóc we wzmocnieniu sygnału kosmicznego. Strategia ta może być również przydatna, jeśli stacja naziemna jest zmuszona do przejścia w tryb offline ze względu na warunki pogodowe; Inne stacje mogą nadal odbierać sygnał.

Więcej o misji

Ta demonstracja, zarządzana przez JPL, jest najnowszym z serii eksperymentów w zakresie komunikacji optycznej finansowanych przez program NASA Technology Demonstration Mission (TDM) i program tej agencji SCaN (Kosmiczna komunikacja i nawigacja) w ramach Dyrekcji Misji Operacji Kosmicznych. Rozwój lotniczego transceivera laserowego wspierany jest przez m.in Instytut Technologii w Massachusetts Lincoln Laboratory, L3 Harris, CACI, First Mode, Controlled Dynamics Inc., Fibretek, Coherent i Dotfast obsługują systemy naziemne. Część tej technologii została opracowana w ramach programu badawczego NASA dotyczącego innowacji w małych przedsiębiorstwach.

Uniwersytet Stanowy Arizona kieruje misją Psyche. JPL jest odpowiedzialna za ogólne zarządzanie misjami, inżynierię systemów, integrację i testowanie oraz operacje misji. Psyche to czternasta misja wybrana w ramach programu eksploracyjnego NASA podlegającego Dyrekcji Misji Naukowych, zarządzanej przez Centrum Lotów Kosmicznych Marshalla w Huntsville w stanie Alabama. Usługą startu zarządzał program usług startowych NASA, z siedzibą w Kennedy Space Center na Florydzie. Firma Maxar Technologies dostarczyła wysokoenergetyczne podwozie statku kosmicznego z napędem słonecznym i elektrycznym z Palo Alto w Kalifornii.