"火星宽带"：激光助力NASA未来的深空通信

来源：cnBeta 　2023-08-31 20:51:31

美国国家航空航天局（NASA）的深空光通信（DSOC）项目将于今年秋天启动，该项目将测试激光如何加快数据传输的速度，远远超过目前太空中使用的射频系统的容量。DSOC被称为技术演示，它可能会为宽带通信铺平道路，帮助支持人类的下一次飞跃：NASA将宇航员送上火星。

(资料图片仅供参考)

美国国家航空航天局（NASA）的深空光通信（DSOC）项目将于今年秋季启动，旨在探索激光在增强空间数据传输方面的能力。

DSOC近红外激光收发器（一种可以发送和接收数据的设备）将"搭载"美国国家航空航天局的"Psyche"任务，该任务将于今年10月发射到一颗富含金属的同名小行星上。在旅程的头两年，收发器将与南加州的两个地面站进行通信，测试高灵敏度的探测器、强大的激光发射器以及解码收发器从深空发送的信号的新方法。

深空光通信（DSOC）飞行收发器位于 Psyche 航天器上一个大型管状遮阳板和望远镜内，如图所示，它位于 JPL 的一个无尘室内。上一张照片（插图）显示了收发器与航天器集成之前的装配情况。图片来源：NASA/JPL-Caltech

光通信的潜力

美国国家航空航天局（NASA）专注于激光或光学通信，因为它具有超越无线电波带宽的潜力，而半个多世纪以来，美国国家航空航天局一直依赖于无线电波。无线电和近红外激光通信都使用电磁波来传输数据，但近红外光将数据打包成更紧密的波段，使地面站能够一次性接收更多数据。

"位于南加州的美国宇航局喷气推进实验室的 DSOC 项目技术专家 Abi Biswas 说："DSOC 的设计目的是展示 10 到 100 倍于目前太空中使用的最先进无线电系统的数据传输能力。用于近地轨道和月球轨道卫星的高带宽激光通信已经得到验证，但深空提出了新的挑战"。

目前，前往深空的任务比以往任何时候都多，而且它们有望以复杂的科学测量、高清图像和视频的形式产生比以往任务多得多的数据。因此，像 DSOC 这样的实验将在帮助 NASA 推进未来航天器和地面系统常规使用的技术方面发挥至关重要的作用。

加利福尼亚州圣迭戈县加州理工学院帕洛玛天文台的黑尔望远镜将接收来自 DSOC 飞行收发器的高速数据下行链路。该望远镜配备了一个新型超导探测器，能够对来自深空的单个光子的到达时间进行计时。资料来源：帕洛玛/加州理工学院

"DSOC代表了NASA下一阶段开发革命性改进通信技术的计划，这些技术有能力增加太空数据传输--这对NASA未来的雄心壮志至关重要，"位于华盛顿的NASA总部技术示范任务（TDM）计划主任特鲁迪-科特斯（Trudy Kortes）说。"我们很高兴有机会在Psyche的飞行中测试这项技术。"

突破性技术

搭载在Psyche上的收发器采用了多项新技术，其中包括一台前所未见的光子计数相机，该相机连接到一个从航天器侧面伸出的8.6英寸（22厘米）孔径望远镜上。收发器将自主扫描并"锁定"由 JPL 位于加利福尼亚州赖特伍德附近的光通信望远镜实验室发射的高功率近红外激光上行链路。激光上行链路还将演示向收发器发送指令。

NASA总部空间通信与导航（SCaN）项目执行官杰森-米切尔（Jason Mitchell）说："功能强大的上行链路激光器是这项技术演示的关键部分，它可以为航天器提供更高的速率，我们地面系统的升级将使未来的深空任务实现光通信。"

锁定上行链路激光器后，收发器将定位加州理工学院帕洛玛天文台的 200 英寸（5.1 米）海尔望远镜，该天文台位于加利福尼亚州圣迭戈县，在桌山以南约 100 英里（130 公里）处。然后，收发器将使用其近红外激光器向帕洛玛天文台传输高速率数据。航天器的振动可能会使激光偏离目标，而将收发器固定在"诗神"号上的最先进的支柱将对振动起到抑制作用。

为了接收来自 DSOC 收发器的高速下行激光，黑尔望远镜安装了一个新颖的超导纳米线单光子探测器组件。该组件经过低温冷却，可以检测到单个入射激光光子（光量子粒子）并记录其到达时间。激光光子以脉冲串的形式传输，必须飞行超过2亿英里（约合3亿公里）--这是航天器在这次技术演示中最远的距离--然后才能检测到微弱的信号，并对其进行处理以提取信息。

JPL的DSOC项目经理比尔-克里普斯坦（Bill Klipstein）说："DSOC的每一个组件都展示了新技术，从高功率上行链路激光器到收发器望远镜上的指向系统，再到能够在单光子到达时对其进行计数的极其灵敏的探测器。"团队甚至需要开发新的信号处理技术，以便从远距离传输的微弱信号中提取信息"。

挑战与创新

遥远的距离给技术演示带来了另一个挑战： Psyche的旅程越远，光子到达目的地的时间就越长，会产生长达数十分钟的滞后。在激光光子传播的过程中，地球和航天器的位置将不断变化，因此需要对这种滞后进行补偿。

比斯瓦斯说："在处理地球和 Psyche 的相对运动的同时，将激光指向并锁定在数百万英里之外，这对我们的项目是一个令人兴奋的挑战。"

推荐DIY文章