NASA thử nghiệm thành công với ăng-ten quang học, mở ra một chương mới trong truyền thông laser không gian sâu

Gần đây, NASA thông báo rằng một ăng-ten lai trong Mạng không gian sâu (DSN) của họ đã theo dõi và giải mã thành công các tín hiệu laser cận hồng ngoại từ tàu vũ trụ “Prosaic”.
Ăng-ten thử nghiệm này không chỉ có khả năng nhận tín hiệu RF mà còn thực hiện thành công việc thu và xử lý tín hiệu quang, mang lại những khả năng mới cho sự phát triển của công nghệ truyền thông laser không gian sâu.
Trong thí nghiệm này, ăng-ten đã khóa thành công tín hiệu laser RF và cận hồng ngoại do tàu vũ trụ Psyker phát ra trong chuyến bay sâu trong không gian, chứng tỏ tiềm năng của ăng-ten đĩa khổng lồ của DSN trong việc chuyển đổi sang liên lạc quang học/laser. Quá trình chuyển đổi này sẽ không chỉ tăng cường khả năng khám phá không gian mà còn cung cấp sự hỗ trợ mạnh mẽ hơn cho các mạng không gian sâu khi yêu cầu mạng tăng lên.
Ăng-ten lai, được đặt tên là Trạm vũ trụ sâu 13, được đặt tại Trung tâm truyền thông không gian sâu Goldstone gần Barstow, California. Kể từ tháng 11 năm 2023, nó đã theo dõi các tia laser đường xuống để trình diễn công nghệ Truyền thông quang học không gian sâu (DSOC) của NASA. Máy thu phát laser bay dùng cho cuộc trình diễn công nghệ này được đặt trên tàu vũ trụ Psyker của cơ quan phóng vào ngày 13 tháng 10 năm 2023.
Các chương trình DSN, DSOC và Psyche đều được quản lý bởi Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực (JPL) của NASA ở Nam California. "Ngay sau khi cuộc trình diễn công nghệ được bắt đầu, ăng-ten lai của chúng tôi đã khóa thành công và đáng tin cậy vào đường xuống DSOC và thu tín hiệu tần số vô tuyến Psyche. Đây là một cột mốc quan trọng cho hoạt động liên lạc không gian sâu tần số quang và vô tuyến đồng bộ đầu tiên của chúng tôi."
Vào cuối năm 2023, ăng-ten lai đã tải xuống dữ liệu từ tàu vũ trụ Pursek, cách đó 20 triệu dặm (32 triệu km), với tốc độ 15,63 megabit/giây, nhanh hơn khoảng 40 lần so với thông tin liên lạc tần số vô tuyến trên trái đất. cùng một khoảng cách. Đến ngày 1 tháng 1 năm 2024, ăng-ten đã tải xuống thành công một bức ảnh khác của nhóm đã được tải lên DSOC trước khi Psyker ra mắt.
Cơ chế cụ thể
Để cho phép phát hiện các photon laser, bảy gương phân đoạn cực kỳ chính xác được gắn bên trong ăng-ten lai. Những gương này bắt chước khẩu độ thu ánh sáng của kính thiên văn có khẩu độ 3,3-foot ({4}}mét) và khi các photon laze tới ăng-ten, mỗi gương sẽ phản xạ các photon và chuyển hướng chúng một cách chính xác đến một máy ảnh phơi sáng. Các tín hiệu laser do máy ảnh thu thập sau đó được truyền qua sợi quang đến máy dò đơn photon dây nano bán dẫn được làm lạnh bằng phương pháp đông lạnh, được thiết kế và chế tạo bởi Phòng thí nghiệm vi thiết bị tại Phòng thí nghiệm Động cơ phản lực (JPL).
Barzia Tehrani, Phó Giám đốc và Giám đốc Phân phối Hệ thống Mặt đất Truyền thông Ăng-ten lai của JPL, cho biết: "Đây là một hệ thống quang học có tính tương thích cao được xây dựng trên một cấu trúc mét linh hoạt. Chúng tôi sử dụng hệ thống gương, cảm biến chính xác và máy ảnh để chủ động căn chỉnh và dẫn ánh sáng laser từ không gian sâu vào sợi quang tới máy dò."
Ông cũng tiết lộ rằng nhóm nghiên cứu hy vọng rằng ăng-ten trong tương lai sẽ có thể phát hiện các tín hiệu laser phát ra từ Sao Hỏa ở điểm xa Trái đất nhất (gấp 2,5 lần khoảng cách từ Mặt trời đến Trái đất). Psyker sẽ đạt được khoảng cách này vào tháng 6, du hành đến vành đai tiểu hành tinh chính giữa Sao Hỏa và Sao Mộc để điều tra tiểu hành tinh Psyker giàu kim loại.
Gương bảy đoạn trên ăng-ten là bằng chứng về khái niệm sẽ cho phép sử dụng 64-gương phân đoạn lớn hơn và mạnh hơn nhiều trong tương lai-tương đương với một 26-foot ({{ 6}} mét) kính viễn vọng khẩu độ.
Giải pháp cơ sở hạ tầng
DSOC đang mở đường cho truyền thông tốc độ dữ liệu cao hơn có khả năng truyền tải thông tin khoa học phức tạp, video và hình ảnh độ phân giải cao nhằm hỗ trợ bước nhảy vọt khổng lồ tiếp theo của nhân loại: đưa con người lên sao Hỏa. Một cuộc trình diễn công nghệ gần đây đã truyền thành công video độ phân giải cực cao đầu tiên từ ngoài vũ trụ với tốc độ bit kỷ lục, đánh dấu bước đột phá lớn trong truyền thông không gian sâu.
DSN (Mạng không gian sâu) có 14 địa điểm trên khắp thế giới, đặt tại California, Madrid và Canberra, Australia. Các ăng-ten lai này có khả năng nhận lượng lớn dữ liệu bằng cách sử dụng thông tin liên lạc quang học, được bổ sung bằng tần số vô tuyến để nhận dữ liệu băng thông nhỏ hơn, chẳng hạn như dữ liệu đo từ xa (bao gồm thông tin về vị trí và tình trạng của tàu vũ trụ).