Концепция этого художника показывает, как будет выглядеть новая антенная станция Deep Space Station-23 в комплексе Deep Space Network в Голдстоуне, штат Калифорния, когда она будет завершена через несколько лет. DSS-23 будет связываться с миссиями НАСА в дальнем космосе с помощью радиоволн и лазеров. Выдвижные крышки смогут располагаться по зеркалам в центре блюда, защищая их от непогоды. Фото: НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт.
Экспериментальная антенна принимала как радиочастотные, так и лазерные сигналы ближнего инфракрасного диапазона от космического корабля НАСА «Психея», путешествующего в глубоком космосе. Это показывает, что гигантские тарельчатые антенны сети дальнего космоса НАСА (DSN), которые связываются с космическими кораблями посредством радиоволн, могут быть модернизированы для оптической или лазерной связи.
Упаковывая больше данных в передачу, оптическая связь откроет новые возможности исследования космоса, одновременно поддерживая DSN по мере роста спроса на сеть.
34-метровая (112 футов) радиочастотно-оптическая гибридная антенна, названная Deep Space Station 13, отслеживает лазер нисходящей линии связи во время демонстрации технологии Deep Space Optical Communications (DSOC) НАСА с ноября 2023 года. Летающий лазерный приемопередатчик технической демонстрации летит на космическом корабле агентства Psyche, который был запущен 13 октября 2023 года.
Гибридная антенна расположена в комплексе дальней космической связи DSN Голдстоун, недалеко от Барстоу, Калифорния, и не является частью эксперимента DSOC. DSN, DSOC и Psyche находятся в ведении Лаборатории реактивного движения НАСА в Южной Калифорнии.
«Наша гибридная антенна смогла успешно и надежно захватывать и отслеживать нисходящий канал DSOC вскоре после запуска технической демонстрации», — сказала Эми Смит, заместитель менеджера DSN в JPL. «Он также получил радиочастотный сигнал Психеи, поэтому мы впервые продемонстрировали синхронную радио- и оптическую связь в дальнем космосе».
В конце 2023 года гибридная антенна передала данные на расстоянии 20 миллионов миль (32 миллиона километров) со скоростью 15,63 мегабит в секунду — примерно в 40 раз быстрее, чем радиочастотная связь на таком расстоянии. 1 января 2024 года антенна передала фотографию команды, которая была загружена в DSOC перед запуском Psyche.
Два по цене одного
Чтобы обнаружить фотоны лазера (квантовые частицы света), семь сверхточных сегментированных зеркал были прикреплены к внутренней части изогнутой поверхности гибридной антенны. Напоминая шестиугольные зеркала космического телескопа Джеймса Уэбба НАСА, эти сегменты имитируют светособирающую апертуру телескопа с апертурой 3,3 фута (1 метр). Когда лазерные фотоны достигают антенны, каждое зеркало отражает фотоны и точно перенаправляет их в камеру с высокой экспозицией, прикрепленную к вспомогательному отражателю антенны, подвешенному над центром тарелки.
Лазерный сигнал, собранный камерой, затем передается через оптическое волокно, которое подается в криогенно охлаждаемый полупроводниковый нанопроволочный детектор одиночных фотонов. Детектор, разработанный и изготовленный Лабораторией микроустройств Лаборатории реактивного движения, идентичен тому, который используется в Паломарской обсерватории Калифорнийского технологического института в округе Сан-Диего, Калифорния, которая действует как наземная станция нисходящей линии связи DSOC.
«Это оптическая система с высокими допусками, построенная на 34-метровой гибкой конструкции», — сказала Барзия Техрани, заместитель менеджера по наземным системам связи и менеджер по поставке гибридной антенны в Лаборатории реактивного движения. «Мы используем систему зеркал, точных датчиков и камер для активного выравнивания и направления лазера из глубокого космоса в волокно, достигающее детектора».
Тегерани надеется, что антенна будет достаточно чувствительной, чтобы обнаружить лазерный сигнал, посланный с Марса, в самой дальней точке от Земли (в 2,5 раза больше расстояния от Солнца до Земли). Психея будет находиться на этом расстоянии в июне на пути к главному поясу астероидов между Марсом и Юпитером, чтобы исследовать богатый металлами астероид Психея.
Семисегментный рефлектор на антенне является доказательством концепции увеличенной и более мощной версии с 64 сегментами — эквивалента телескопа с апертурой 26 футов (8 метров), — который может быть использован в будущем.
Инфраструктурное решение
DSOC прокладывает путь для связи с более высокой скоростью передачи данных, способной передавать сложную научную информацию, видео и изображения высокой четкости в поддержку следующего гигантского скачка человечества: отправки людей на Марс. Техническая демонстрация недавно транслировала первое видео сверхвысокой четкости из глубокого космоса с рекордной скоростью передачи данных.
Модернизация радиочастотных антенн оптическими терминалами и создание специальных гибридных антенн могут стать решением проблемы отсутствия специальной наземной оптической инфраструктуры. У DSN есть 14 тарелок, распределенных по объектам в Калифорнии, Мадриде и Канберре, Австралия. Гибридные антенны могут полагаться на оптическую связь для приема больших объемов данных и использовать радиочастоты для менее ресурсоемких данных, таких как телеметрия (информация о состоянии и местоположении).
«На протяжении десятилетий мы добавляли новые радиочастоты к гигантским антеннам DSN, расположенным по всему миру, поэтому наиболее возможным следующим шагом будет включение оптических частот», — сказал Тегерани. «У нас может быть один актив, который будет выполнять две задачи одновременно: превращать наши пути сообщения в автомагистрали и экономить время, деньги и ресурсы».
