Привет от Психеи: космический аппарат NASA передает фото с рекордного расстояния

NASA достигла значительного прорыва в области космической связи, применив новую антенну, способную принимать радио и лазерные сигналы от космического аппарата Psyche, задачей которого является исследование уникального астероида.

Эта антенна является частью Сети глубокого космоса (DSN) NASA — сети огромных тарелочных антенн, взаимодействующих с космическими аппаратами с помощью радиоволн. Однако новая антенна также может принимать сигналы в ближнем инфракрасном диапазоне, что позволяет передавать больше данных и открывает новые возможности для исследования космоса.

Новая антенна, получившая название Deep Space Station 13 , представляет собой гибридную радиочастотно-оптическую антенну диаметром 34 метра. Она отслеживает лазерные сигналы с технологии демонстрации оптической связи в глубоком космосе (DSOC) начиная с ноября 2023 года.

Передающее устройство DSOC установлено на космическом аппарате Psyche, который был запущен 13 октября 2023 года. Антенна расположена на комплексе связи с глубоким космосом Goldstone вблизи Барстоу, Калифорния, и не является частью эксперимента DSOC. DSN, DSOC и Psyche находятся под управлением Лаборатории реактивного движения (JPL) NASA в Южной Калифорнии.

«Наша новая антенна успешно и надежно захватывает и отслеживает входящий сигнал DSOC сразу после запуска технологической демонстрации,» сообщила Эми Смит, заместитель менеджера DSN в JPL. «Она также принимает радиочастотный сигнал от Psyche, таким образом, впервые демонстрируя синхронную радиочастотную и оптическую связь в глубоком космосе».

В конце 2023 года антенна приняла данные с расстояния в 20 миллионов миль (32 миллиона километров) со скоростью 15,63 мегабит в секунду, что примерно в 40 раз быстрее, чем радиочастотная связь на таком же расстоянии. 1 января 2024 года антенна приняла фотографию команды, загруженную в DSOC до запуска Psyche.

Как это работает

Новая антенна использует новаторскую оптическую систему для обнаружения фотонов лазера. К внутренней поверхности антенны прикреплены семь ультраточных сегментированных зеркал, напоминающих шестиугольные зеркала космического телескопа Джеймса Уэбба NASA. Эти сегменты имитируют апертуру телескопа с диаметром 1 метр.

Прибывающие фотоны лазера отражаются от каждого зеркала и точно направляются в высокочувствительную камеру, прикрепленную к подвесному отражателю антенны, расположенному над центром тарелки.

Собранный камерой лазерный сигнал затем передается через оптоволокно в криогенно охлаждаемый детектор одиночных фотонов на полупроводниковых нанопроводах. Детектор разработан и изготовлен лабораторией микроустройств JPL и идентичен используемому в обсерватории Паломара в округе Сан-Диего, Калифорния, которая служит наземной станцией приема сигналов DSOC.

«Это высокоточная оптическая система, созданная на основе гибкой конструкции диаметром 34 метра», сказал Барзия Техрани, заместитель менеджера по наземным системам связи и менеджер по поставкам новой антенны в JPL. «Мы используем систему зеркал, точных датчиков и камер для активного выравнивания и направления лазера из глубокого космоса в волокно, ведущее к детектору».

Будущие планы

Техрани надеется, что новая антенна будет достаточно чувствительной, чтобы обнаруживать лазерный сигнал, отправленный с Марса в его самой дальней точке от Земли (в 2,5 раза дальше, чем расстояние от Солнца до Земли). Psyche будет на этом расстоянии в июне на пути к основному поясу астероидов между Марсом и Юпитером для исследования металлически богатого астероида Psyche.

Семисегментное отражательное зеркало на новой антенне является доказательством концепции для масштабированной и более мощной версии с 64 сегментами — эквивалентом телескопа с апертурой 8 метров, которая может быть использована в будущем.

Решение инфраструктурных вопросов

DSOC открывает путь для связи с высокой скоростью передачи данных, способной транслировать сложную научную информацию, видео и изображения высокой четкости, поддерживая следующий великий шаг человечества: отправку людей на Марс. Недавно технологическая демонстрация впервые транслировала ультравысокочеткое видео из глубокого космоса на рекордно высоких скоростях передачи данных.

Модернизация радиочастотных антенн оптическими терминалами и строительство специализированных гибридных антенн могут решить проблему отсутствия специализированной оптической наземной инфраструктуры. В DSN есть 14 антенн, распределенных по объектам в Калифорнии, Мадриде, Канберре и Австралии. Гибридные антенны могут полагаться на оптическую связь для приема больших объемов данных и использовать радиочастоты для данных с меньшей пропускной способностью, таких как телеметрия (информация о состоянии здоровья и положении).

«На протяжении десятилетий мы добавляли новые радиочастоты к гигантским антеннам DSN, расположенным по всему миру, так что наиболее логичным следующим шагом является включение оптических частот», сказал Техрани. «Мы можем иметь одно устройство, выполняющее две задачи одновременно, превращая наши коммуникационные дороги в автомагистрали и экономя время, деньги и ресурсы».