Эксперимент DSOC (Deep Space Optical Communications), который планируется запустить 12 октября вместе с миссией Psyche, продемонстрирует технологии, позволяющие NASA передавать данные из глубокого космоса с более высокой скоростью.
Новаторский эксперимент NASA по оптической связи в глубоком космосе (DSOC) станет первой демонстрацией лазерной или оптической связи. Полетев вместе с миссией NASA Psyche к богатому металлами астероиду с одноименным названием в четверг, 12 октября, с помощью DSOC протестируют ключевые технологии, предназначенные для того, чтобы будущие миссии могли передавать более плотные научные данные и даже транслировать видео с Марса.
Вот пять вещей, которые следует знать об этой демонстрации передовых технологий:
1. DSOC — это первый эксперимент NASA, который поможет проверить, как лазеры могут улучшить передачу данных из глубокого космоса.
До сих пор NASA использовало только радио для связи с миссиями, отправляющимися за пределы Луны. Подобно тому, как волоконная оптика заменяет старые телефонные линии на Земле по мере роста спроса на данные, переход от радиосвязи к оптической связи позволит увеличить скорость передачи данных по всей Солнечной системе, в 10–100 раз превышающую пропускную способность современных систем, существующих в настоящее время и использующихся на космических кораблях. Оптическая связь улучшит возможности будущих исследовательских миссий с участием человека и роботов, а также обеспечит поддержку научных инструментов с более высоким разрешением.
2. В технологической демонстрации задействовано оборудование как в космосе, так и на Земле.
Летный лазерный приемопередатчик DSOC — это эксперимент, прикрепленный к космическому кораблю NASA «Психея», но «Психея» полагается на традиционную радиосвязь для операций миссии. Лазерный приемопередатчик включает в себя как лазерный передатчик ближнего инфракрасного диапазона для высокоскоростной передачи данных на Землю, так и чувствительную камеру для подсчета фотонов для приема лазерного луча, посланного с Земли. Но трансивер — это лишь часть демонстрации технологии.
На Земле нет специальной инфраструктуры для оптической связи в дальнем космосе, поэтому для целей DSOC два наземных телескопа были обновлены для связи с полетным лазерным приемопередатчиком. Операционная группа будет размещена в Лаборатории реактивного движения (JPL) NASA в Южной Калифорнии, а мощный лазерный передатчик ближнего инфракрасного диапазона был интегрирован с Лабораторией телескопов оптической связи на объекте JPL в Столовой горе недалеко от Райтвуда, Калифорния. Передатчик будет доставлять модулированный лазерный сигнал на полетный приемопередатчик DSOC и служить маяком или ориентиром, так что возвращенный лазерный луч можно будет точно направить обратно на Землю.
Данные, отправленные с бортового приемопередатчика, будут собираться 200-дюймовым (5,1-метровым) телескопом Хейла в Паломарской обсерватории Калифорнийского технологического института в округе Сан-Диего, Калифорния, который оснащен специальной сверхпроводящей высокоэффективной детекторной матрицей.
3. DSOC столкнется с уникальными проблемами.
DSOC в течение первых двух лет шестилетнего путешествия Психеи к поясу астероидов призван продемонстрировать высокоскоростную передачу данных на расстояния до 390 миллионов километров, что более чем в два раза превышает расстояние между Солнцем и Землей.
Чем дальше зонд Psyche удаляется от нашей планеты, тем слабее становится сигнал лазерных фотонов, что затрудняет декодирование данных. Дополнительной проблемой является то, что фотонам потребуется больше времени, чтобы достичь места назначения, что приведет к задержке более 20 минут на самом дальнем расстоянии технической демонстрации. Поскольку положения Земли и космического корабля будут постоянно меняться по мере движения фотонов, наземные и полетные системы DSOC должны будут компенсировать это, указывая, где будут находиться наземный приемник (в Паломаре) и полетный приемопередатчик (на Психее), когда фотоны прибудут.
4. Передовые технологии будут работать вместе, чтобы обеспечить попадание лазеров в цель и получение широкополосных данных из глубокого космоса.
Летный лазерный приемопередатчик и наземный лазерный передатчик должны будут наводиться с большой точностью. Достижение своих целей будет сродни попаданию в десятицентовую монету с расстояния в милю, пока десятицентовая монета движется. Поэтому приемопередатчик необходимо изолировать от вибраций космического корабля, которые в противном случае могли бы отклонить лазерный луч от цели. Первоначально «Психея» направит полетный приемопередатчик в направлении Земли, в то время как автономные системы на полетном приемопередатчике при помощи лазерного маяка восходящей линии связи Столовой горы будут контролировать наведение лазерного сигнала нисходящей линии связи на Паломарскую обсерваторию.
В телескоп Хейла интегрирован криогенно охлаждаемый сверхпроводящий приемник для счета фотонов на основе нанопроводов, разработанный Лабораторией реактивного движения. Прибор оснащен высокоскоростной электроникой для регистрации времени прибытия одиночных фотонов, что позволяет декодировать сигнал. Команда DSOC даже разработала новые методы обработки сигналов, позволяющие выжимать информацию из слабых лазерных сигналов, которые будут передаваться на расстояние от десятков до сотен миллионов миль.
5. Это последний проект NASA в области оптической связи.
В 2013 году в ходе демонстрации лунной лазерной связи NASA были протестированы рекордные скорости передачи данных по восходящей и нисходящей линии связи между Землей и Луной. В 2021 году NASA запустило демонстрацию реле лазерной связи для проверки возможностей широкополосной ретрансляции оптической связи с геостационарной орбиты, чтобы космическим кораблям не требовалась прямая видимость с Землей для связи. А в прошлом году система TeraByte InfraRed Delivery NASA показала самую высокую в истории скорость передачи данных со спутника на низкой околоземной орбите на наземный приемник.
DSOC выводит оптическую связь в глубокий космос, прокладывая путь к широкополосной связи за пределами Луны и в 1000 раз дальше, чем любые испытания оптической связи на сегодняшний день. Если это удастся, технология может положит начало высокоскоростной передачи данных с потоковой передачей изображений высокой четкости, что поможет поддержать следующий гигантский скачок человечества: когда NASA отправит астронавтов на Марс.
