NASA realiseert historische gegevensuitwisseling met een experiment voor optische communicatie in de diepe ruimte

DSOC, een experiment dat de manier waarop ruimtevaartuigen communiceren zou kunnen veranderen, heeft voor het eerst ‘eerste licht’ bereikt, waarbij gegevens via laser van en naar voorbij de maan worden verzonden.

NASA’s Deep Space Optical Communications (DSOC)-experiment straalde een nabij-infraroodlaser gecodeerd met testgegevens van bijna 16 miljoen kilometer afstand – ongeveer 40 keer verder dan de maan van de aarde verwijderd is – naar de Hale-telescoop in Palomar. het California Institute of Technology. Observatorium in San Diego County, Californië. Dit is de verste weergave ooit van optische communicatie.

Aan boord van het onlangs gelanceerde Psyche-ruimtevaartuig zal DSOC testgegevens met hoge bandbreedte terugsturen naar de aarde tijdens zijn twee jaar durende technologiedemonstratie terwijl Psyche naar de belangrijkste asteroïdengordel aarde-aarde reist. Mars En Jupiter. NASAlaboratorium voor straalaandrijving (Laboratorium voor straalaandrijving_In Zuid-Californië leidt hij zowel DSOC als Psyche.

NASA’s Psyche-ruimtevaartuig wordt op 8 december 2022 getoond in een clean room van de Astrotech Space Operations-faciliteit nabij het Kennedy Space Center van het agentschap in Florida. DSOC’s met goud bedekte luchtvaartlasertransceiver is te zien, vlakbij het midden, bevestigd aan het ruimtevaartuig. Krediet: NASA/Ben Smigelski

De technologiedemonstratie bereikte “het eerste licht” in de vroege uren van 14 november nadat de Aviation Laser Transceiver – een geavanceerd instrument (zie afbeelding hieronder) aan boord van Psyche dat nabij-infraroodsignalen kan verzenden en ontvangen – op een krachtig laserbaken was geïnstalleerd. De uplink werd uitgezonden vanuit het Optical Communications Telescope Laboratory in de Table Mountain Facility van JPL nabij Wrightwood, Californië. Het uplinkbaken hielp de zendontvanger om zijn downlinklaser op Palomar (100 mijl of 130 kilometer ten zuiden van de Tafelberg) te richten, terwijl geautomatiseerde systemen op de zendontvanger en grondstations de richtrichting aanpasten.

De Deep Space Optical Communications (DSOC) lasertransceiver is in april 2021 te zien in het Jet Propulsion Laboratory van NASA in Zuid-Californië, voordat hij wordt geïnstalleerd in de vierkante behuizing die later werd geïntegreerd met NASA’s Psyche-ruimtevaartuig. De zendontvanger bestaat uit een nabij-infrarood laserzender om gegevens met hoge snelheid naar de aarde te verzenden, en een gevoelige camera voor het tellen van fotonen om gegevens met lage snelheid te ontvangen die vanaf de aarde worden verzonden. De zendontvanger is gemonteerd op een reeks steunen en actuatoren – weergegeven in deze afbeelding – die de optica stabiliseren tegen de trillingen van het ruimtevaartuig. Bron afbeelding: NASA/JPL-Caltech

“Het bereiken van het eerste licht is een van de vele belangrijke mijlpalen voor DSOC in de komende maanden, die de weg vrijmaken voor communicatie met een hogere datasnelheid die in staat is om wetenschappelijke informatie, high-definition beelden en videostreaming te verzenden om de volgende grote sprong van de mensheid te ondersteunen: Mensen naar Mars sturenTrudy Curtis, technologiedemonstratiemanager op het NASA-hoofdkwartier in Washington, zei:

Testgegevens werden ook gelijktijdig verzonden via uplink- en downlink-lasers, een procedure die bekend staat als ‘link-sluiting’ en die het primaire doel van het experiment is. Hoewel de technologiedemonstratie geen Psyche-missiegegevens doorgeeft, werkt deze nauw samen met het Psyche-missieondersteuningsteam om ervoor te zorgen dat DSOC-operaties de operaties van ruimtevaartuigen niet verstoren.

Lees meer over hoe DSOC voor het eerst wordt gebruikt om datatransmissie met hoge bandbreedte buiten de maan te testen – en hoe dit de verkenning van de diepe ruimte zou kunnen transformeren. Bron afbeelding: NASA/JPL-Caltech/Arizona State University

“De test van dinsdagochtend was de eerste waarbij grond- en vluchttranspondermiddelen volledig werden geïntegreerd, waardoor de operatieteams van DSOC en Psyche zij aan zij moesten werken”, zegt Meera Srinivasan, DSOC Operations Lead bij JPL. “Het was een enorme uitdaging en we hebben veel werk te doen, maar gedurende een korte tijd konden we een aantal gegevens verzenden, ontvangen en decoderen.”

Vóór deze mijlpaal moest het project aan een aantal andere mijlpalen voldoen, van het verwijderen van de beschermkap van de luchtvaartlasertransceiver tot de inbedrijfstelling van het apparaat. Ondertussen voert het Psyche-ruimtevaartuig zijn eigen controles uit, waaronder het bedienen van de voortstuwingssystemen en testinstrumenten die zullen worden gebruikt om asteroïde Psyche te bestuderen wanneer deze daar in 2028 aankomt.

NASA’s Deep Space Optical Communications (DSOC) lasertransceiver-operatieteam werkt in de vroege uren van 14 november in het Psyche-missieondersteuningsgebied bij JPL, toen het project “het eerste licht” bereikte. Bron afbeelding: NASA/JPL-Caltech

Eerste licht en eerste stukjes

Met het succes van First Light zal het DSOC-team nu werken aan het verbeteren van de systemen die het richten van de downlinklaser aan boord van de transceiver regelen. Eenmaal voltooid, kan het project beginnen met de demonstratie van het handhaven van gegevensoverdracht met hoge bandbreedte van de zendontvanger naar Palomar op verschillende afstanden van de aarde. Deze gegevens nemen de vorm aan van bits (de kleinste gegevenseenheden die een computer kan verwerken) gecodeerd in laserfotonen – kwantumdeeltjes van licht. Nadat een speciale, zeer efficiënte supergeleidende detectorarray (zie afbeelding hieronder) de fotonen heeft gedetecteerd, worden nieuwe signaalverwerkingstechnieken gebruikt om gegevens te extraheren uit afzonderlijke fotonen die bij de Hale-telescoop aankomen.

Hier wordt een replica getoond van Deep Space Optical Communications, of DSOC, een detector met één foton van supergeleidende nanodraden gekoppeld aan de 200 inch (5,1 meter) Hale-telescoop van Caltech’s Palomar Observatory in San Diego County, Californië. De detector is ontworpen door het Precision Instrumentation Laboratory van het Jet Propulsion Laboratory van NASA in Zuid-Californië om nabij-infrarode lasersignalen te ontvangen van een DSOC-vluchtzendontvanger die met NASA’s Psyche-missie in de diepe ruimte reist als onderdeel van een technologiedemonstratie. Bron afbeelding: NASA/JPL-Caltech

Het DSOC-experiment heeft tot doel gegevensoverdrachtsnelheden aan te tonen die 10 tot 100 keer hoger zijn dan die van moderne radiofrequentiesystemen die tegenwoordig door ruimtevaartuigen worden gebruikt. Zowel laserradio als nabij-infraroodcommunicatie maken gebruik van elektromagnetische golven om gegevens te verzenden, maar nabij-infraroodlicht verpakt de gegevens in compactere golven, waardoor grondstations meer gegevens kunnen ontvangen. Dit zal helpen bij toekomstige menselijke en robotachtige verkenningsmissies en zal uiterst nauwkeurige wetenschappelijke instrumenten ondersteunen.

“Optische communicatie is een zegen voor wetenschappers en onderzoekers die altijd meer uit hun ruimtemissies willen halen, en zal menselijke verkenning van de diepe ruimte mogelijk maken”, zegt Dr. Jason Mitchell, directeur van de Advanced Communications and Navigation Technologies Division van NASA’s Communications and Astronautics Division . (SCaN)-programma. “Meer data betekent meer ontdekkingen.”

Hoewel optische communicatie is aangetoond in een lage baan om de aarde en naar de maan, is DSOC de eerste test in de diepe ruimte. Net zoals het gebruik van een laserpointer om een ​​bewegend dubbeltje vanaf anderhalve kilometer afstand te volgen, vereist het richten van een laserstraal over miljoenen kilometers uiterst nauwkeurig ‘richten’.

DSOC’s laserzenderoperators op de grond poseren voor een foto in het Optical Communications Telescope Laboratory in de Table Mountain Facility van JPL nabij Wrightwood, Californië, kort nadat de “eerste licht” -demonstratie van de technologie op 14 november was bereikt. Bron afbeelding: NASA/JPL-Caltech

De demonstratie moet ook de tijd compenseren die het licht nodig heeft om over grote afstanden van het ruimtevaartuig naar de aarde te reizen: op Psyche’s verste afstand van onze planeet zouden de nabij-infrarode fotonen van DSOC ongeveer 20 minuten nodig hebben om terug te keren (het duurde ongeveer 50 minuten). . seconden om van Psyche naar de aarde te reizen tijdens de test van 14 november). Tegen die tijd zullen het ruimtevaartuig en de planeet zich hebben verplaatst, dus de uplink- en downlinklasers moeten zich aanpassen aan de verandering in positie.

“Het bereiken van het eerste licht is een enorme prestatie. Grondsystemen hebben met succes laserfotonen in de diepe ruimte gedetecteerd van DSOC’s transceiver aan boord van Psyche”, zegt Abi Biswas, DSOC-projecttechnoloog bij JPL. “Er werden wat gegevens verzonden, wat betekende dat we stukjes van licht’ van en naar de diepe ruimte.”

Meer over de missie

DSOC is de nieuwste in een reeks optische communicatiedemonstraties die worden gefinancierd door NASA’s Space Technology Mission Directorate en het Space Communications and Navigation (SCaN) -programma binnen het Space Operations Mission Directorate van het agentschap.

De Psyche-missie wordt geleid door de Arizona State University. JPL is verantwoordelijk voor het algemene missiebeheer, systeemtechniek, integratie en testen, en missieoperaties. Psyche is de 14e missie die is geselecteerd als onderdeel van NASA’s Exploratieprogramma onder het Directoraat Wetenschapsmissies, dat wordt beheerd door het Marshall Space Flight Center van het agentschap in Huntsville, Alabama. NASA’s Launch Services Program, met hoofdkantoor in het Kennedy Space Center van het agentschap, beheerde de lanceerdienst. Maxar Technologies uit Palo Alto, Californië, leverde de hoogenergetische zonne-elektrische voortstuwingsstructuur van het ruimtevaartuig.