Демонстрационный образец лазерной связи НАСА установил рекорд в открытом космосе и завершил первую фазу испытаний

Демонстрационный образец технологии оптической связи в глубоком космосе завершил несколько ключевых этапов, в результате чего сигнал был отправлен на расстояние, равное самому большому расстоянию от Земли до Марса.

Этим летом демонстрационный образец технологии оптической связи в глубоком космосе побил ещё один рекорд лазерной связи, отправив лазерный сигнал с Земли на космический аппарат НАСА «Психея», находящийся на расстоянии около 460 миллионов километров. Такое же расстояние получается между нашей планетой и Марсом, когда они находятся дальше всего друг от друга.

Вскоре после достижения этого рубежа 29 июля демонстрация технологии завершила первый этап своей работы после запуска на борту «Психеи» 13 октября 2023 года.

«Это очень важная веха. Лазерная связь требует очень высокого уровня точности, и до запуска «Психеи» мы не знали, насколько снизится производительность на самых дальних расстояниях, — говорит Мера Шринивасан, руководитель проекта в Лаборатории реактивного движения НАСА в Южной Калифорнии. — Теперь методы, которые мы используем для отслеживания и наведения, проверены, что подтверждает, что оптическая связь может быть надёжным и преобразующим способом исследования Солнечной системы».

Эксперимент Deep Space Optical Communications под управлением JPL состоит из летающего лазерного приёмопередатчика и двух наземных станций. Исторический телескоп Хейла с 5-метровой апертурой, установленный в обсерватории Паломар в Калифорнии (округ Сан-Диего, Калифорния), выполняет роль станции, на которую лазерный приёмопередатчик отправляет данные из глубокого космоса. Лаборатория оптических телескопов связи в комплексе JPL на Столовой горе вблизи Райтвуда, Калифорния, выступает в качестве станции связи, способной передавать 7 киловатт мощности лазера для отправки данных на приёмопередатчик.

Передавая данные со скоростью, в 100 раз превышающей скорость передачи данных по радиосвязи, лазеры могут обеспечить передачу сложной научной информации, а также изображений и видео высокой чёткости, которые необходимы для следующего гигантского скачка человечества, когда астронавты отправятся на Марс и дальше.

Что касается космического аппарата, то «Психея» остаётся здоровой и стабильной, используя ионную тягу для ускорения к богатому металлами астероиду в главном поясе астероидов между Марсом и Юпитером.

Перевыполнение целей

Данные, полученные в ходе демонстрации технологии, отправляются на «Психею» и обратно в виде битов, закодированных в ближнем инфракрасном свете, который имеет более высокую частоту, чем радиоволны. Такая частота позволяет упаковать больше данных в одну передачу, что обеспечивает гораздо более высокую скорость передачи данных.

Даже когда «Психея» находилась на расстоянии около 53 миллиона километров, что сравнимо с ближайшим приближением Марса к Земле, демонстрационная технология могла передавать данные с максимальной скоростью 267 мегабит в секунду. Такая скорость передачи данных аналогична скорости загрузки широкополосного интернета. По мере удаления космического аппарата скорость передачи и приёма данных, как и ожидалось, снижается.

24 июня, когда «Психея» находилась на расстоянии около 390 миллионов километров от Земли, что более чем в 2,5 раза превышает расстояние между нашей планетой и Солнцем, проект достиг устойчивой скорости передачи данных 6,25 мегабита в секунду при максимальной скорости 8,3 мегабита в секунду. Хотя эта скорость значительно ниже максимальной скорости эксперимента, она намного выше той, которую может достичь на таком расстоянии радиочастотная система связи сопоставимой мощности.

Это испытания

Цель проекта Deep Space Optical Communications — продемонстрировать технологию, позволяющую надёжно передавать данные на более высоких скоростях, чем другие технологии космической связи, например радиочастотные системы. Стремясь достичь этой цели, проект получил возможность протестировать уникальные наборы данных, такие как художественные произведения и видео высокой чёткости, а также инженерные данные с космического аппарата «Психея». Например, один из спусков включал цифровые версии художественных работ Университета штата Аризона «Вдохновление «Психеей»», изображения домашних животных команды и 45-секундный видеоролик сверхвысокой чёткости, который подделывает телевизионные тестовые схемы прошлого века и изображает сцены с Земли и из космоса.

Это 45-секундное видео сверхвысокой чёткости было передано с помощью лазера из дальнего космоса в рамках демонстрации технологии оптической связи в глубоком космосе НАСА 24 июня, когда космический аппарат «Психея» находился на расстоянии 386 млн км от Земли.

В ходе демонстрации технологии 11 декабря 2023 года с космического аппарата «Психея» на Землю с расстояния 19 миллионов миль было передано первое видео сверхвысокой чёткости из космоса с изображением кота по имени Тейтерс. (Художественные работы, изображения и видео были загружены на «Психею» и сохранены в его памяти до запуска).

«Ключевой задачей системы было доказать, что снижение скорости передачи данных пропорционально обратному квадрату расстояния, — говорит Аби Бисвас, технолог проекта демонстрации технологии в JPL. — Мы достигли этой цели и передали огромное количество тестовых данных на космический аппарат «Психея» и обратно с помощью лазера». В ходе первой фазы демонстрации было передано почти 11 терабит данных.

Полётный приёмопередатчик выключен и будет снова включён 4 ноября. Эта работа докажет, что полётное оборудование может работать не менее года.

«Мы включим лазерный приёмопередатчик и проведём короткую проверку его функциональности, — сказал Кен Эндрюс, руководитель полётов проекта в JPL. — Как только это будет сделано, мы сможем рассчитывать на эксплуатацию приёмопередатчика в полном объёме его проектных возможностей на этапе после соединения, который начнётся позднее в этом году».

Подробнее об оптической связи в глубоком космосе

Эта демонстрация является последней в серии экспериментов по оптической связи, финансируемых Программой демонстрационных миссий Управления космических технологий, которая осуществляется в Центре космических полётов имени Маршалла НАСА в Хантсвилле, штат Алабама, и программой SCaN (космическая связь и навигация), входящей в состав Управления космических операций. Разработка лазерного приёмопередатчика для полётов ведётся при поддержке лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института, компаний L3 Harris, CACI, First Mode, Controlled Dynamics Inc. Наземные системы поддерживают компании Fibertek, Coherent, Caltech Optical Observatories и Dotfast. Некоторые из технологий были разработаны в рамках программы NASA Small Business Innovation Research.