NASA的激光器将数据发送到2.9亿英里外的Psyche 改变了深空信息传递方式

在这幅艺术家的构想图中，美国宇航局的 Psyche 航天器正在接收来自 JPL 台山设施的深空光通信上行链路地面站的激光信号。 DSOC 实验包括一个上行链路站和下行链路站，以及一个与 Psyche 一起飞行的激光收发器。 资料来源：NASA/JPL-Caltech

今年夏天，美国国家航空航天局（NASA）的深空光通信技术演示创造了激光通信的新纪录，从地球向大约2.9亿英里（4.6亿公里）外的Psyche航天器发射了激光信号。 这与我们的地球和火星之间相距最远时的距离相同。

在7月29日达到这一里程碑后不久，技术演示成功完成了其初始阶段的运行，该阶段始于2023年10月13日搭载"诗神"号的发射。

"这一里程碑意义重大。 激光通信需要非常高的精度，在我们发射Psyche之前，我们不知道在最远的距离上性能会下降多少，"位于南加州的NASA喷气推进实验室的项目运行负责人Meera Srinivasan说。"现在，我们用来跟踪和指向的技术已经得到验证，证实了光通信可以成为探索太阳系的一种强大而具有变革性的方式"。

2021 年 4 月，深空光通信（DSOC）技术演示的飞行激光收发器在位于南加州的美国宇航局喷气推进实验室展示，随后被安装在其盒式外壳内，该外壳后来与美国宇航局的 Psyche 航天器集成在一起。 收发器由一个向地球发送高速率数据的近红外激光发射器和一个接收地面发送的低速率数据的灵敏光子计数相机组成。 收发器安装在一个由支柱和致动器组成的组件上--如图所示--该组件用于稳定光学器件，使其不受航天器振动的影响。 图片来源：NASA/JPL-Caltech

深空光通信实验由JPL管理，包括一个飞行激光收发器和两个地面站。 加州理工学院历史悠久的 200 英寸（5 米）孔径的黑尔望远镜位于加州圣地亚哥帕洛玛天文台，是激光收发器从深空发送数据的下行链路站。 位于 JPL 靠近加利福尼亚州赖特伍德的桌山设施的光通信望远镜实验室充当上行链路站，能够发射 7 千瓦的激光功率向收发器发送数据。

激光传输数据的速率是无线电频率的100倍，因此可以传输复杂的科学信息以及高清晰度图像和视频，而这正是宇航员前往火星及其他地方进行人类下一次大飞跃所需要的。

至于飞船，"Psyche"号依然健康稳定，利用离子推进加速驶向火星和木星之间主小行星带中一颗富含金属的小行星。

美国国家航空航天局的Psyche任务旨在揭开位于火星和木星之间小行星带的金属小行星16 Psyche的神秘面纱。 这项独特任务的重点是探索被认为是原始行星裸露的核心，为了解行星形成的构成要素提供难得的一瞥。 这些发现可以揭示地球自身的内核，并提供有关太阳系历史的线索。 资料来源：NASA/JPL-Caltech/ASU

该技术演示的数据是以近红外光编码的比特形式从 Psyche 发送和接收的，近红外光的频率高于无线电波。 这种较高的频率可以将更多的数据打包传输，从而大大提高数据传输速率。

即使当"Psyche"距离地球约3300万英里（5300万公里）（相当于火星距离地球最近的距离）时，技术演示也能以每秒267兆比特的系统最高速率传输数据。 这一比特率与宽带互联网的下载速度类似。 随着航天器的飞行距离越来越远，它发送和接收数据的速率也会随之降低。

6 月 24 日，当 Psyche 号距离地球约 2.4 亿英里（3.9 亿公里）时（超过地球与太阳之间距离的 2.5 倍），该项目实现了每秒 6.25 兆比特的持续下行链路数据传输速率，最大传输速率为每秒 8.3 兆比特。 虽然这一速率大大低于实验的最大速率，但却远远高于使用同等功率的射频通信系统在这一距离上所能达到的速率。

深空光通信的目标是展示能够以比射频系统等其他空间通信技术更高的速度可靠地传输数据的技术。 为了实现这一目标，该项目有机会测试独特的数据集，如艺术品和高清视频，以及来自 Psyche 航天器的工程数据。 例如，一个下行链路包括亚利桑那州立大学"Psyche灵感"艺术品的数字版本、团队宠物的图像以及一段45秒的超高清视频，该视频恶搞了上个世纪的电视测试模式，并描绘了地球和太空的场景。

这次技术演示于 2023 年 12 月 11 日从 1900 万英里之外将第一部来自太空的超高清视频从 Psyche 航天器传送到地球，视频的主角是一只名叫 Taters 的猫。 (艺术品、图像和视频已在发射前上传至 Psyche 并存储在其内存中）。

"该系统的一个关键目标是证明数据传输速率的降低与距离的平方反比成正比，"JPL的技术演示项目技术专家Abi Biswas说。"我们实现了这一目标，并通过激光向 Psyche 航天器传输了大量测试数据。 在演示的第一阶段，已经下行传输了近11太比特的数据。"

飞行收发器的电源已经关闭，将于 11 月 4 日重新启动。 这项活动将证明飞行硬件至少可以运行一年。

JPL 项目飞行操作负责人肯-安德鲁斯（Ken Andrews）说："我们将打开飞行激光收发器的电源，对其功能进行短期检查。一旦实现了这一点，我们就可以期待在今年晚些时候开始的后连接阶段以其全部设计能力运行收发器了。"

这次演示是一系列光通信实验中的最新一次，这些实验由空间技术任务局的技术演示任务计划资助，该计划由位于阿拉巴马州亨茨维尔的美国宇航局马歇尔太空飞行中心和该局空间运行任务局的SCaN（空间通信与导航）计划管理。 飞行激光收发器的开发得到了 MIT 林肯实验室、L3 Harris、CACI、First Mode 和 Controlled Dynamics Inc. Fibertek、Coherent、加州理工学院光学观测站和 Dotfast 等合作伙伴为地面系统提供支持。 此外，部分技术是通过美国宇航局的小企业创新研究计划开发的。

编译自/SciTechDaily