美國國家航空航天局（NASA）的深空光通信（DSOC）項(xiàng)目將于今年秋天啟動，該項(xiàng)目將測試激光如何加快數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣龋h(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前太空中使用的射頻系統(tǒng)的容量。DSOC被稱為技術(shù)演示，它可能會為寬帶通信鋪平道路，幫助支持人類的下一次飛躍：NASA將宇航員送上火星。

美國國家航空航天局（NASA）的深空光通信（DSOC）項(xiàng)目將于今年秋季啟動，旨在探索激光在增強(qiáng)空間數(shù)據(jù)傳輸方面的能力。

(相關(guān)資料圖)

DSOC近紅外激光收發(fā)器（一種可以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的設(shè)備）將"搭載"美國國家航空航天局的"Psyche"任務(wù)，該任務(wù)將于今年10月發(fā)射到一顆富含金屬的同名小行星上。在旅程的頭兩年，收發(fā)器將與南加州的兩個地面站進(jìn)行通信，測試高靈敏度的探測器、強(qiáng)大的激光發(fā)射器以及解碼收發(fā)器從深空發(fā)送的信號的新方法。

深空光通信（DSOC）飛行收發(fā)器位于 Psyche 航天器上一個大型管狀遮陽板和望遠(yuǎn)鏡內(nèi)，如圖所示，它位于 JPL 的一個無塵室內(nèi)。上一張照片（插圖）顯示了收發(fā)器與航天器集成之前的裝配情況。圖片來源：NASA/JPL-Caltech

光通信的潛力

美國國家航空航天局（NASA）專注于激光或光學(xué)通信，因?yàn)樗哂谐綗o線電波帶寬的潛力，而半個多世紀(jì)以來，美國國家航空航天局一直依賴于無線電波。無線電和近紅外激光通信都使用電磁波來傳輸數(shù)據(jù)，但近紅外光將數(shù)據(jù)打包成更緊密的波段，使地面站能夠一次性接收更多數(shù)據(jù)。

"位于南加州的美國宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的 DSOC 項(xiàng)目技術(shù)專家 Abi Biswas 說："DSOC 的設(shè)計(jì)目的是展示 10 到 100 倍于目前太空中使用的最先進(jìn)無線電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸能力。用于近地軌道和月球軌道衛(wèi)星的高帶寬激光通信已經(jīng)得到驗(yàn)證，但深空提出了新的挑戰(zhàn)"。

目前，前往深空的任務(wù)比以往任何時候都多，而且它們有望以復(fù)雜的科學(xué)測量、高清圖像和視頻的形式產(chǎn)生比以往任務(wù)多得多的數(shù)據(jù)。因此，像 DSOC 這樣的實(shí)驗(yàn)將在幫助 NASA 推進(jìn)未來航天器和地面系統(tǒng)常規(guī)使用的技術(shù)方面發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

加利福尼亞州圣迭戈縣加州理工學(xué)院帕洛瑪天文臺的黑爾望遠(yuǎn)鏡將接收來自 DSOC 飛行收發(fā)器的高速數(shù)據(jù)下行鏈路。該望遠(yuǎn)鏡配備了一個新型超導(dǎo)探測器，能夠?qū)碜陨羁盏膯蝹€光子的到達(dá)時間進(jìn)行計(jì)時。資料來源：帕洛瑪/加州理工學(xué)院

"DSOC代表了NASA下一階段開發(fā)革命性改進(jìn)通信技術(shù)的計(jì)劃，這些技術(shù)有能力增加太空數(shù)據(jù)傳輸--這對NASA未來的雄心壯志至關(guān)重要，"位于華盛頓的NASA總部技術(shù)示范任務(wù)（TDM）計(jì)劃主任特魯?shù)?科特斯（Trudy Kortes）說。"我們很高興有機(jī)會在Psyche的飛行中測試這項(xiàng)技術(shù)。"

突破性技術(shù)

搭載在Psyche上的收發(fā)器采用了多項(xiàng)新技術(shù)，其中包括一臺前所未見的光子計(jì)數(shù)相機(jī)，該相機(jī)連接到一個從航天器側(cè)面伸出的8.6英寸（22厘米）孔徑望遠(yuǎn)鏡上。收發(fā)器將自主掃描并"鎖定"由 JPL 位于加利福尼亞州賴特伍德附近的光通信望遠(yuǎn)鏡實(shí)驗(yàn)室發(fā)射的高功率近紅外激光上行鏈路。激光上行鏈路還將演示向收發(fā)器發(fā)送指令。

NASA總部空間通信與導(dǎo)航（SCaN）項(xiàng)目執(zhí)行官杰森-米切爾（Jason Mitchell）說："功能強(qiáng)大的上行鏈路激光器是這項(xiàng)技術(shù)演示的關(guān)鍵部分，它可以為航天器提供更高的速率，我們地面系統(tǒng)的升級將使未來的深空任務(wù)實(shí)現(xiàn)光通信。"

鎖定上行鏈路激光器后，收發(fā)器將定位加州理工學(xué)院帕洛瑪天文臺的 200 英寸（5.1 米）海爾望遠(yuǎn)鏡，該天文臺位于加利福尼亞州圣迭戈縣，在桌山以南約 100 英里（130 公里）處。然后，收發(fā)器將使用其近紅外激光器向帕洛瑪天文臺傳輸高速率數(shù)據(jù)。航天器的振動可能會使激光偏離目標(biāo)，而將收發(fā)器固定在"詩神"號上的最先進(jìn)的支柱將對振動起到抑制作用。

為了接收來自 DSOC 收發(fā)器的高速下行激光，黑爾望遠(yuǎn)鏡安裝了一個新穎的超導(dǎo)納米線單光子探測器組件。該組件經(jīng)過低溫冷卻，可以檢測到單個入射激光光子（光量子粒子）并記錄其到達(dá)時間。激光光子以脈沖串的形式傳輸，必須飛行超過2億英里（約合3億公里）--這是航天器在這次技術(shù)演示中最遠(yuǎn)的距離--然后才能檢測到微弱的信號，并對其進(jìn)行處理以提取信息。

JPL的DSOC項(xiàng)目經(jīng)理比爾-克里普斯坦（Bill Klipstein）說："DSOC的每一個組件都展示了新技術(shù)，從高功率上行鏈路激光器到收發(fā)器望遠(yuǎn)鏡上的指向系統(tǒng)，再到能夠在單光子到達(dá)時對其進(jìn)行計(jì)數(shù)的極其靈敏的探測器。"團(tuán)隊(duì)甚至需要開發(fā)新的信號處理技術(shù)，以便從遠(yuǎn)距離傳輸?shù)奈⑷跣盘栔刑崛⌒畔?。

挑戰(zhàn)與創(chuàng)新

遙遠(yuǎn)的距離給技術(shù)演示帶來了另一個挑戰(zhàn)： Psyche的旅程越遠(yuǎn)，光子到達(dá)目的地的時間就越長，會產(chǎn)生長達(dá)數(shù)十分鐘的滯后。在激光光子傳播的過程中，地球和航天器的位置將不斷變化，因此需要對這種滯后進(jìn)行補(bǔ)償。

比斯瓦斯說："在處理地球和 Psyche 的相對運(yùn)動的同時，將激光指向并鎖定在數(shù)百萬英里之外，這對我們的項(xiàng)目是一個令人興奮的挑戰(zhàn)。"

關(guān)鍵詞：