В октябре 2023 года НАСА запустило свою долгожданную миссию «Психея». Космический корабль направляется для изучения богатого металлами астероида 16-Психея, астероида М-типа, который может быть остатком ядра планетезимали, которая давно пострадала от столкновения. Но понимание гигантского, богатого металлами астероида — не единственная цель миссии «Психея».
Он также тестирует новую технологию лазерной связи.
Новая система называется Deep Space Optical Communications (DSOC). DSOC использует инфракрасные лазеры для связи между космическим кораблем и наземными станциями. В этом первом эксперименте космический корабль «Психея» связался с телескопом Хейла в Паломарской обсерватории Калифорнийского технологического института в округе Сан-Диего, Калифорния. Во время связи «Психея» находилась за пределами Луны, а расстояние между космическим кораблем и телескопом Хейла составляло почти 16 миллионов километров (10 миллионов миль).
Успешное испытание состоялось 14 ноября, и во время испытания данные передавались и принимались как космическим кораблем, так и наземной станцией. Это явление называется «закрытие канала связи». Успешное испытание стало «первым светом» DSOC.
«Достижение первого света является одной из многих важных вех DSOC в ближайшие месяцы, прокладывая путь к более высокой скорости передачи данных, способной отправлять научную информацию, изображения высокой четкости и потоковое видео в поддержку следующего гигантского скачка человечества: отправки людей на Марс», — сказала Труди Кортес, директор отдела демонстрации технологий в штаб-квартире НАСА в Вашингтоне.
Возможно, эта технология будет реализована как раз вовремя. По мере того, как наши космические аппараты становятся все более мощными, а объем данных, которые они отправляют обратно, растет, нынешние системы связи космических кораблей с трудом справляются с этой задачей. Системы лазерной связи с высокой пропускной способностью должны устранить узкое место в полосе пропускания, которое затрудняет выполнение существующих миссий.
Современные системы связи космических кораблей основаны на новейших радиосистемах. Но инфракрасная лазерная система, лежащая в основе DSOC, работает со скоростью передачи данных от 10 до 100 раз большей, чем радиосистемы.
Выгоды очевидны, если систему удастся усовершенствовать.
В настоящее время космические корабли связываются с Землей с помощью сети дальнего космоса НАСА (DSN). DSN состоит из трех объектов по всему миру, разделенных примерно 120 градусами. Таким образом, где бы ни находился космический корабль, он может связаться с одним из объектов. Три объекта находятся в Калифорнии, Испании и Австралии.
DSN надежен, и НАСА позволяет другим космическим державам использовать эту систему. Но поскольку он основан на радиосвязи, он становится устаревшим узким местом.
Хотя DSN и другие системы космической связи впечатляют, они с трудом успевают за планами на будущее. Передача 250-мегабитной полезной нагрузки непосредственно на Землю может занять до 20 часов. И ситуация становится хуже, чем дальше космический корабль находится от Земли.
Миссия НАСА «Новые горизонты» является поучительным примером. Когда он совершил облет Юпитера в 2007 году, он передал данные обратно на Землю со скоростью около 38 килобит в секунду (кбит/с). Это немного медленнее, чем старые телефонные модемы прошлого. Скорость передачи данных резко упала, когда он столкнулся со своей главной целью — Плутоном. Скорость передачи данных на таком экстремальном расстоянии упала примерно до 2000 бит в секунду (бит/с). Это похоже на телекоммуникационный эквивалент азбуки Морзе.
Чтобы достичь таких скоростей, «Новым Горизонтам» пришлось использовать обе антенны и передать сигнал на самую большую приемную тарелку НАСА на Земле. Он достиг Плутона в июле 2015 года, но для передачи всех данных об историческом столкновении потребовалось время до 2016 года. Представьте себе, что вы член команды New Horizons, ожидающий важных данных, определяющих карьеру.
«Больше данных означает больше открытий».
Доктор Джейсон Митчелл, директор отдела передовых коммуникационных и навигационных технологий программы НАСА по космической связи и навигации (SCaN)
Инфракрасная лазерная система DSOC станет огромным улучшением. Это похоже на радиосвязь, но использует более узкие волны. Это позволяет наземным станциям получать больше данных, что является критической проблемой для наших быстро совершенствующихся космических кораблей. DSOC на Psyche имеет антенны длиной всего 22 см, тогда как наземная передающая антенна составляет 1 метр, а наземная приемная антенна — 5 метров. На расстоянии 0,4 а.е. скорость восходящей линии связи должна достигать 292 Кбит/с, а скорость нисходящей линии связи — 100 Мбит/с.
Однако DSOC имеет некоторые недостатки. Например, скорость нисходящей линии связи в дневное время ниже.
Приборы космического корабля, и особенно камеры, генерируют все больше и больше данных. Эти скорости и, будем надеяться, более высокие скорости в будущих системах DSOC должны соответствовать этому уровню.
«Оптическая связь — это благо для ученых и исследователей, которые всегда хотят большего от своих космических миссий, и позволит человеку исследовать глубокий космос», — сказал д-р Джейсон Митчелл, директор Отдела передовых коммуникационных и навигационных технологий Управления космической связи и навигации НАСА. (СКАН) программа. «Больше данных означает больше открытий».
Это не первый набег НАСА на DSOC. Они работали над этим уже много лет и продемонстрировали это на околоземной орбите и даже на Луне. Но ноябрьское испытание стало первым испытанием в глубоком космосе. Хотя DSOC обещает более быструю связь, он требует чрезвычайно точного наведения, а требуемая точность увеличивается с расстоянием. Система работает путем передачи лазерного маяка с Земли на космический корабль. Это помогает стабилизировать линию прямой видимости между ними и помогает Psyche точно нацелить лазер нисходящей линии связи. Следующим шагом станут дальнейшие испытания на больших расстояниях.
«Мы смогли обмениваться «частицами света» из глубокого космоса и в него».
Аби Бисвас, технолог проекта DSOC в Лаборатории реактивного движения НАСА.
Также существует проблема с задержкой. Сигнал с Луны достигает Земли примерно за 2,5 секунды. В этом тесте «Психея» находилась далеко за пределами Луны, и сигналу потребовалось около 50 секунд, чтобы достичь Земли. Но пока он находится на астероиде, сигналу космического корабля «Психея» потребуется до 20 минут, чтобы достичь Земли. Проблема задержки не исчезает только потому, что система основана на лазере ближнего инфракрасного диапазона. Инфракрасный свет движется с той же скоростью, что и радиоволны.
Но несмотря на то, что в будущем еще предстоит преодолеть проблемы, испытание прошло успешно, и это единственный результат, на который НАСА может надеяться.
«Достижение первого света — огромное достижение. Наземные системы успешно обнаружили лазерные фотоны дальнего космоса от бортового приемопередатчика DSOC на борту «Психеи», — сказал Аби Бисвас, технолог проекта DSOC в Лаборатории реактивного движения. «И мы также смогли отправить некоторые данные, то есть мы смогли обмениваться «битами света» из глубокого космоса и в него».
Будущее освоения космоса будет все больше и больше зависеть от данных. Представьте себе в реальном времени (с задержкой сигнала, конечно) видео с поверхности Марса, снятое камерами высокого разрешения на марсоходах. Представьте себе астронавтов на поверхности Марса с марсианскими версиями камер Go-Pro, работающими в режиме реального времени, на шлемах. Представьте себе подписку на личный YouTube-канал марсианского космонавта.
Естественно, некоторые люди не поверят тому, что видят. Но для тех из нас, кто следит за развитием космических технологий из года в год, это станет еще одним венчающим моментом.
