Die NASA experimentiert erfolgreich mit optischen Antennen und schlägt ein neues Kapitel in der Laserkommunikation im Weltraum auf

Kürzlich gab die NASA bekannt, dass eine Hybridantenne in ihrem Deep Space Network (DSN) die Nahinfrarot-Lasersignale der Raumsonde „Prosaic“ erfolgreich verfolgt und dekodiert hat.
Diese experimentelle Antenne ist nicht nur in der Lage, HF-Signale zu empfangen, sondern realisierte auch erfolgreich den Empfang und die Verarbeitung optischer Signale, was neue Möglichkeiten für die Entwicklung der Laserkommunikationstechnologie im Weltraum bietet.
In diesem Experiment gelang es der Antenne, die HF- und Nahinfrarot-Lasersignale zu erfassen, die von der Psyker-Raumsonde während ihres Flugs tief im Weltraum ausgesendet wurden, was das Potenzial der riesigen DSN-Antenne für den Übergang zur optischen/Laser-Kommunikation demonstrierte. Dieser Übergang wird nicht nur die Weltraumforschung verbessern, sondern auch eine robustere Unterstützung für Weltraumnetzwerke bieten, wenn die Netzwerkanforderungen steigen.
Die Hybridantenne mit dem Namen Deep Space Station 13 befindet sich im Goldstone Deep Space Communications Center in der Nähe von Barstow, Kalifornien. Seit November 2023 verfolgt es Downlink-Laser für die Demonstration der Deep Space Optical Communications (DSOC)-Technologie der NASA. Der fliegende Laser-Transceiver für diese Technologiedemonstration befindet sich an Bord des am 13. Oktober 2023 von der Agentur durchgeführten Starts der Raumsonde Psyker.
Die Programme DSN, DSOC und Psyche werden alle vom Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA in Südkalifornien verwaltet. „Kurz nach Beginn der Technologiedemonstration hat sich unsere Hybridantenne erfolgreich und zuverlässig an den DSOC-Downlink angeschlossen und das Psyche-Hochfrequenzsignal empfangen. Dies ist ein Meilenstein für unsere erste synchronisierte Funk- und optische Frequenz-Weltraumkommunikation.“
Ende 2023 lud die Hybridantenne Daten von der Raumsonde Pursek, die 20 Millionen Meilen (32 Millionen Kilometer) entfernt ist, mit einer Geschwindigkeit von 15,63 Megabit pro Sekunde herunter, was etwa 40-mal schneller ist als die Hochfrequenzkommunikation darüber gleichen Abstand. Bis zum 1. Januar 2024 hatte die Antenne erfolgreich ein weiteres Teamfoto heruntergeladen, das vor dem Start des Psykers auf DSOC hochgeladen worden war.
Spezifische Mechanismen
Um die Detektion von Laserphotonen zu ermöglichen, sind im Inneren der Hybridantenne sieben hochpräzise segmentierte Spiegel montiert. Diese Spiegel ahmen die lichtsammelnde Apertur eines Teleskops mit einer Apertur von 3,{3}}Fuß (1-Meter) nach, und wenn Laserphotonen die Antenne erreichen, reflektiert jeder Spiegel die Photonen und lenkt sie präzise auf eine hohe Apertur um. Belichtungskamera. Die von der Kamera gesammelten Lasersignale werden dann über Glasfasern an einen kryogen gekühlten Halbleiter-Nanodraht-Einzelphotonendetektor übertragen, der vom Microdevice Laboratory am Jet Propulsion Laboratory (JPL) entworfen und gebaut wurde.
Barzia Tehrani, stellvertretende Managerin und Liefermanagerin für Hybridantennen-Kommunikations-Bodensysteme bei JPL, sagte: „Dies ist ein hochkompatibles optisches System, das auf einer flexiblen Struktur von 34-Metern aufgebaut ist. Wir verwenden dazu ein System aus Spiegeln, Präzisionssensoren und Kameras.“ Richten Sie das Laserlicht aus dem Weltraum aktiv aus und leiten Sie es in die optische Faser, die den Detektor erreicht.
Er verriet außerdem, dass das Team hofft, dass die Antenne in Zukunft in der Lage sein wird, Lasersignale zu erkennen, die vom Mars an seinem am weitesten von der Erde entfernten Punkt (2,5-fache Entfernung von der Sonne zur Erde) ausgehen. Psyker wird diese Entfernung im Juni erreichen und zum Hauptasteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter reisen, um den metallreichen Asteroiden Psyker zu untersuchen.
Der Sieben-Segment-Spiegel auf der Antenne ist ein Proof-of-Concept, der die zukünftige Verwendung eines viel größeren und leistungsstärkeren 64--Segmentspiegels ermöglichen wird – das Äquivalent eines 26-Fuß ({{ 6}}Meter) Apertur-Teleskop.
Infrastrukturlösungen
DSOC ebnet den Weg für Kommunikation mit höheren Datenraten, mit der komplexe wissenschaftliche Informationen, Videos und hochauflösende Bilder übertragen werden können, um den nächsten großen Schritt der Menschheit zu unterstützen: Menschen zum Mars zu schicken. Bei einer kürzlich durchgeführten Demonstration der Technologie wurde das erste ultrahochauflösende Video mit einer Rekordbitrate erfolgreich aus dem Weltraum übertragen, was einen großen Durchbruch in der Weltraumkommunikation darstellt.
Das DSN (Deep Space Network) verfügt weltweit über 14 Standorte in Kalifornien, Madrid und Canberra, Australien. Diese Hybridantennen sind in der Lage, große Datenmengen mithilfe optischer Kommunikation zu empfangen, ergänzt durch Funkfrequenzen, um Daten mit geringerer Bandbreite zu empfangen, wie z. B. Telemetriedaten (einschließlich Gesundheits- und Positionsinformationen von Raumfahrzeugen).