Оптическая связь в дальнем космосе

Демонстрация оптической связи в дальнем космосе
	Схема архитектуры для планируемого прототипа оптической связи в дальнем космосе (DSOC)
Обзор программы
Страна	Соединенные Штаты
Организация	НАСА
Менеджер	Лаборатория реактивного движения
Цель	Лазерная связь в космосе
Статус	Непрерывный
История программы
Продолжительность	2017 ; 8 лет назад – настоящее время (2017)

Spacecraft communication system using lasers

Deep Space Optical Communications ( DSOC ) — это лазерная космическая система связи , которая в настоящее время находится в эксплуатации и повышает производительность связи в 10–100 раз по сравнению с радиочастотной технологией без увеличения массы, объема или мощности. ^[1] DSOC способна обеспечивать высокоскоростную связь из-за пределов окололунного пространства .

Проект возглавляет Лаборатория реактивного движения (JPL) NASA в Пасадене, Калифорния . В апреле 2024 года система успешно установила связь с космическим аппаратом Psyche на расстоянии 140 миллионов миль. ^[2]

Обзор

Будущие человеческие экспедиции могут потребовать постоянного потока изображений высокой четкости, прямых видеопотоков и передачи данных в реальном времени через глубокий космос для обеспечения своевременного руководства и обновлений во время дальних путешествий. ^[1] Даже при максимальной скорости передачи данных 5,2 мегабит в секунду (Мбит/с) Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) требуется 7,5 часов для передачи всех своих бортовых регистраторов и 1,5 часа для отправки одного изображения HiRISE для обработки на Земле. Новые гиперспектральные устройства формирования изображений высокого разрешения предъявляют дополнительные требования к их системе связи, требуя еще более высоких скоростей передачи данных. ^[3]

Демонстрация предшественника технологии для этого оптического трансивера была запущена в 2023 году на борту роботизированной миссии NASA Psyche для изучения гигантского металлического астероида, известного как 16 Psyche . Лазерные лучи с космического корабля будут приниматься 200-дюймовым (5 м) телескопом Хейла в Паломарской обсерватории в Калифорнии. ^[4] Лазерные лучи на космический корабль будут отправляться с меньшего телескопа в обсерватории Столовой горы в Калифорнии.

Первый свет был получен 14 ноября 2023 года. ^[5]

Первое видео, успешно переданное из космоса с использованием этой технологии, произошло 11 декабря 2023 года с рекордного расстояния в 19 миллионов миль (31 миллион километров, или примерно в 80 раз больше расстояния от Земли до Луны). ^[6]

Дизайн

Эта новая технология будет использовать усовершенствованные лазеры в ближнем инфракрасном диапазоне (1,55 мкм ^[7] ) электромагнитного спектра . ^[1] Архитектура основана на передаче лазерного маяка с Земли для содействия стабилизации линии прямой видимости и наведения обратно лазерного луча нисходящей линии связи. Кроме того, эффективные коды используются для безошибочной связи. Система должна корректировать фоновый шум (рассеянный свет) от атмосферы Земли и Солнца. ^[8] Учитывая текущее оборудование (1 м наземная передача, 5 м наземный прием, 22 см космический телескоп), ожидается, что восходящая линия связи достигнет 292 кбит/с на расстоянии 0,4 астрономических единиц (60 000 000 км; 37 000 000 миль), а нисходящая линия связи достигнет 100 Мбит/с на том же расстоянии. ^[9] Ширина передаваемого луча обратно пропорциональна используемой частоте, поэтому чем короче используемая длина волны, тем более узкий и сфокусированный луч можно сделать. ^[3] Ширина полосы пропускания нисходящей линии связи будет зависеть от диаметра наземного телескопа и будет меньше в дневное время. ^[9]

Три ключевые технологии DSOC, разработанные для проекта, включают в себя: ^[7]^[8]

малогабаритный узел изоляции и наведения космического аппарата от вибрационных помех, предназначенный для работы в условиях вибрационных помех космического аппарата.
высокоэффективный полетный лазерный передатчик;
пара высокоэффективных детекторных матриц для подсчета фотонов для оптического приемопередатчика полета и наземного приемника (телескопа). ^[8]

Передатчик лазерного полета	Наземные системы
Лазер: 4 Вт Длина волны: 1550 нм	Восходящая линия: • Телескоп (1 м) • Мощность 5 кВт • Длина волны 1064 нм
Телескоп: апертура 22 см. Возможность наведения на Солнце до 3 градусов.	Нисходящая линия: • 5-метровый телескоп • Работает днем и ночью • Может направлять в пределах 12 градусов от Солнца
Масса: <29 кг ^[9]
Мощность: <100 Вт

Психеямиссия

Демонстрация оптической связи в глубоком космосе включена в миссию НАСА Psyche , запущенную 13 октября 2023 года. Космический аппарат Psyche будет исследовать металлический астероид 16 Psyche и достигнет пояса астероидов в 2029 году. ^[10]^[11]^[12]

Первый свет DSOC был получен 14 ноября 2023 года. Эксперимент успешно передал 15-секундное видео сверхвысокой четкости 11 декабря из места в 19 миллионах миль от Земли (31 миллион километров, или примерно в 80 раз больше расстояния от Земли до Луны). Предварительно загруженное видео кота по имени Тейтерс было отправлено с максимальной скоростью передачи данных системы в 267 мегабит в секунду (Мбит/с) и достигло Земли за 101 секунду. ^[13] Дополнительный тест в июле 2024 года продемонстрировал связь на расстоянии 290 миллионов миль. ^[14]

Смотрите также

Демонстрация лазерной ретрансляции связи — полезный груз НАСА будет запущен в 2021 году

Ссылки

^ abc Deep Space Optical Communications (DSOC). Дженнифер Харбо, NASA News 24 октября 2017 г.
^ "Демонстрационная система оптической связи НАСА передает данные на расстояние более 140 миллионов миль - НАСА". 2024-04-25 . Получено 2024-04-25 .
^ ab Deep Space Communications. НАСА, 2017.
^ Холл, Лора, ред. (18 октября 2017 г.). ««Lighten Up» – Deep Space Communications via Faraway Photons». NASA. В данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .
^ «Земля только что получила лазерное сообщение с расстояния в 16 миллионов километров». 20 ноября 2023 г.
^ "Техническая демонстрация НАСА транслирует первое видео из дальнего космоса с помощью лазера". Лаборатория реактивного движения .
^ ab Deep Space Optical Communications (PDF). Том Главич, NASA. 28 июля 2015 г.
^ abc Game Changing Development: Deep Space Optical Communications (DSOC) (PDF). Лаборатория реактивного движения, NASA.
^ abc Deep Space Optical Communications (DSOC) (PDF). Обзорный плакат. Biswas NASA, июль 2014 г.
^ Дэвид, Леонард (18 октября 2017 г.). «Связь в глубоком космосе с помощью дальних фотонов». NASA / Jet Propulsion Laboratory . Получено 4 ноября 2017 г.
^ Грейсиус, Тони (14 сентября 2017 г.). «Обзор психики». NASA. Архивировано из оригинала 10 ноября 2021 г. Получено 18 сентября 2017 г.
^ "Миссия NASA Psyche готовится к запуску в следующем месяце". NASA. 6 сентября 2023 г. Получено 19 сентября 2023 г.
^ "Техническая демонстрация НАСА транслирует первое видео из глубокого космоса с помощью лазера". NASA/JPL-Caltech. 18 декабря 2023 г.
^ "Демонстрация лазерной связи НАСА устанавливает рекорд в дальнем космосе, завершает первую фазу". Лаборатория реактивного движения НАСА (JPL) . Получено 10 декабря 2024 г.

[Harbaugh_2017-1] Deep Space Optical Communications (DSOC). Дженнифер Харбо, NASA News 24 октября 2017 г.

[2] "Демонстрационная система оптической связи НАСА передает данные на расстояние более 140 миллионов миль - НАСА". 2024-04-25 . Получено 2024-04-25 .

[DS_comms-3] Deep Space Communications. НАСА, 2017.

[Hall-2017-4] Холл, Лора, ред. (18 октября 2017 г.). ««Lighten Up» – Deep Space Communications via Faraway Photons». NASA. В данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .

[5] «Земля только что получила лазерное сообщение с расстояния в 16 миллионов километров». 20 ноября 2023 г.

[6] "Техническая демонстрация НАСА транслирует первое видео из дальнего космоса с помощью лазера". Лаборатория реактивного движения .

[Glavich_2015-7] Deep Space Optical Communications (PDF). Том Главич, NASA. 28 июля 2015 г.

[DSOC_development-8] Game Changing Development: Deep Space Optical Communications (DSOC) (PDF). Лаборатория реактивного движения, NASA.

[Poster-2014-9] Deep Space Optical Communications (DSOC) (PDF). Обзорный плакат. Biswas NASA, июль 2014 г.

[DSOC-10] Дэвид, Леонард (18 октября 2017 г.). «Связь в глубоком космосе с помощью дальних фотонов». NASA / Jet Propulsion Laboratory . Получено 4 ноября 2017 г.

[11] Грейсиус, Тони (14 сентября 2017 г.). «Обзор психики». NASA. Архивировано из оригинала 10 ноября 2021 г. Получено 18 сентября 2017 г.

[12] "Миссия NASA Psyche готовится к запуску в следующем месяце". NASA. 6 сентября 2023 г. Получено 19 сентября 2023 г.

[firstvideo-13] "Техническая демонстрация НАСА транслирует первое видео из глубокого космоса с помощью лазера". NASA/JPL-Caltech. 18 декабря 2023 г.

[14] "Демонстрация лазерной связи НАСА устанавливает рекорд в дальнем космосе, завершает первую фазу". Лаборатория реактивного движения НАСА (JPL) . Получено 10 декабря 2024 г.