Испытания первой лазерной связи в открытом космосе прошли успешно

13 октября 2023 года на борту тяжелого космического аппарата Falcon Heavy отправилась миссия НАСА Psyche. Ее основная задача — исследование астероида 16 Psyche в Главном поясе, но на борту также находится и другой эксперимент. Это DSOC (Deep Space Optical Communications), первый тест не радио-, а лазерно-оптической связи для дальнего космоса.

Сегодня JPL подтвердила, что 14 ноября 2023 года эксперимент DSOC успешно передал лазерный сигнал ближнего инфракрасного диапазона, закодированный с тестовыми данными. Это было сделано с расстояния почти 16 млн. км, или примерно в 40 раз дальше, чем Луна от Земли, на телескоп Хейла в Паломаре, принадлежащий Калифорнийскому технологическому институту.

Это самая удаленная демонстрация оптической связи из когда-либо проводившихся и успех первого испытания DSOC.

Ранним утром 14 ноября демонстрационный образец технологии на борту "Психеи" увидел свой первый свет. Полетный лазерный приемопередатчик зонда, способный посылать и принимать сигналы в ближней инфракрасной области, подключился к восходящему лазерному маяку, передаваемому на базе JPL Table Mountain вблизи Райтвуда (Калифорния).

Маяк помог приемопередатчику навести лазер на телескоп Хейла в Паломаре, расположенный в 130 км к югу от Столовой горы, а автоматические системы на приемопередатчике и наземных станциях выполнили точную настройку.

Тестовые данные передавались одновременно через восходящий и нисходящий лазеры. Хотя это были не научные данные миссии Psyche, как планировалось, это все равно был большой успех. В течение короткого времени с помощью лазеров можно было передавать, принимать и декодировать только некоторые данные.

Обмен битами света

Эти данные имеют форму битов — мельчайших единиц информации, которые может обработать компьютер, закодированных в фотонах лазера, т.е. квантовых частицах света. После того как высокоэффективный массив сверхпроводящих детекторов обнаруживает фотоны, для извлечения данных из отдельных фотонов, поступающих на телескоп Хейла, используются новые методы обработки сигналов.

Цель эксперимента DSOC - продемонстрировать скорость передачи данных в 10-100 раз выше, чем у современных радиочастотных систем, используемых сегодня на космических аппаратах.

Как в радиосвязи, так и в лазерной связи ближнего инфракрасного диапазона для передачи данных используются электромагнитные волны, но в ближнем инфракрасном свете они заключены в значительно более узкие волны, что позволяет наземным станциям получать больше данных. Это поможет будущим пилотируемым и роботизированным исследовательским миссиям, а также научным приборам с высоким разрешением.

Следующие шаги для DSOC (и Психеи)

После этого первого крупного успеха команда DSOC будет работать над совершенствованием систем, управляющих наведением нисходящего лазера на борту приемопередатчика. Как только этот рубеж будет достигнут, проект сможет начать демонстрировать устойчивую передачу данных с высокой пропускной способностью от приемопередатчика в Паломаре на различные расстояния от Земли.

Демонстрация технологии DSOC должна также компенсировать время прохождения света от зонда до Земли на больших расстояниях. При максимальном удалении Psyche от нашей планеты фотонам ближнего инфракрасного диапазона DSOC потребуется около 20 минут для обратного пути. За это время и зонд, и планета успеют переместиться. Поэтому лазеры восходящего и нисходящего каналов должны будут адаптироваться к изменению положения.

Прежде чем достичь этой цели, проект должен был проверить несколько других этапов. От снятия защитной крышки приемопередатчика полетного лазера до включения прибора. Все эти этапы были успешно выполнены.

Тем временем зонд Psyche проводит собственные испытания. В том числе включение двигательных установок и испытания приборов, которые будут использоваться для изучения астероида Psyche, когда он выйдет на его орбиту в 2028 году.