NASA利用激光向地球发送信息和从地球发送信息,利用看不见的光束穿越天空,发送数 TB 的数据(图片和视频)以增加我们对宇宙的了解。这种能力被称为激光或光学通信,尽管这些对眼睛安全的红外光束不能被人眼看到。

“我们对未来几年激光通信的前景感到兴奋。”华盛顿NASA总部负责空间通信和导航(SCaN)的副主管兼项目经理巴德里·尤尼斯说。“这些任务和演示开启了NASA新的的光之十年,在此期间,NASA将与其他政府机构和商业部门合作,大幅扩大未来太空探索的通信能力,创造充满活力和强劲的经济机遇。”

激光通信系统为任务提供了更高的数据传输速率,这意味着与传统无线电波相比,它们可以在一次传输中发送和接收更多信息。此外,该系统更轻、更灵活、更安全。激光通信可以补充目前大多数NASA任务使用的射频通信。

激光通信中继演示(LCRD)

2021年12月7日,激光通信中继演示(LCRD)发射进入轨道,距离地球约22000英里,以测试激光通信的能力。LCRD是该机构首个双向激光中继系统的技术演示。现在LCRD已经进入轨道,NASA的激光通信技术将继续进步。

LCRD将数据从国际空间站上的ILLUMA-T传输到地球上一个地面站的图示。
影像来源:NASA’s Goddard Space Flight Center/Dave Ryan

LCRD实验者计划

2022年5月,NASA认证LCRD已准备好进行实验。这些实验正在测试和完善激光系统——这是任务的总体目标。NASA、其他政府机构、学术界和工业界提供的实验正在测量大气对激光通信信号的长期影响;评估该技术对未来任务的适用性;以及测试在轨激光中继能力。

“我们将立即开始收到一些实验结果,而另一些则是长期实验,需要时间在LCRD的两年实验期间出现趋势。”马里兰州格林贝尔特NASA戈达德航天飞行中心LCRD实验者项目负责人里克·巴特勒说。“LCRD将回答航空航天行业关于激光通信作为高带宽应用的一种操作选项的问题。”

“该项目仍在寻找新的实验,任何有兴趣的人都可以联系我们。”巴特勒说。“我们正在深入激光通信界,这些实验将展示光学技术如何为国际组织、工业界和学术界服务。”

NASA正在继续接受新实验的建议,以帮助完善光学技术,增加知识,并确定未来的应用。

LCRD甚至将在其发射后不久以新年决议的形式向NASA社交媒体账户转发公众提交的数据。这些决议将从加利福尼亚的一个地面站传输,并通过LCRD中继到位于夏威夷的另一个地面台,这是LCRD能力的又一次展示。

TB级红外传输(TBIRD)

最近,继LCRD之后,作为探路者技术演示器3号(PTD-3)任务的一部分,于2022年5月25日从卡纳维拉尔角空间站发射了TB级红外传输(TBIRD)有效载荷,执行SpaceX的Transporter-5拼车任务。TBIRD将展示200Gbps的数据下行链路,这是NASA有史以来实现的最高光速率。

TBIRD通过展示激光通信对近地科学任务(捕捉重要数据和大型详细图像)的优势,继续推进NASA的光通信注入。TBIRD一次就能发送回TB级的数据,展示了更高带宽的好处,并让NASA更深入地了解小型卫星上激光通信的能力。TBIRD只有纸巾盒那么大!

“过去,我们在设计仪器和航天器时都受限于从太空返回或返回地球的数据量。”TBIRD项目经理贝思·科尔说。“通过光通信,我们可以带回的数据量远超过去。这确实是一种改变游戏规则的能力。”

TBIRD通过激光链路将数据下行链路传输至加利福尼亚州的1号光学地面站的图示。。
影像来源:NASA’s Goddard Space Flight Center/Dave Ryan

集成LCRD低地球轨道用户调制解调器和放大器终端(ILLUMA-T)

集成LCRD近地轨道用户调制解调器和放大器终端(ILLUMA-T)将于2023年初在SpaceX第27次向国际空间站提供商业补给服务任务的龙货运飞船上发射,将为轨道实验室带来激光通信,并增强宇航员在那里生活和工作的数据能力。

ILLUMA-T将从空间站上的实验中收集信息,并以1.2Gbps的速度将数据发送给LCRD。按照这个速度,一部长篇电影可以在一分钟内下载完毕。随后,LCRD会将这些信息转发到夏威夷或加利福尼亚的地面站。

“ILLUMA-T和LCRD将携手合作,成为首个演示近地轨道到地球同步轨道到地面通信链路的激光系统。”NASA戈达德ILLUMA-T项目经理切坦·萨亚尔说。

ILLUMA-T从国际空间站向LCRD传输科学和探索数据的图示。
影像来源:NASA’s Goddard Space Flight Center/Dave Ryan

猎户座阿耳忒弥斯2号任务光通信系统(O2O)

猎户座阿耳忒弥斯2号任务光通信系统(O2O)将在阿耳忒弥斯2号任务期间,通过NASA的猎户座航天器将激光通信带到月球。当宇航员 50 多年来首次返回月球区域时,O2O 将能够传输高分辨率图像和视频。阿耳忒弥斯2号任务是第一个展示激光通信技术的载人月球飞行,以高达260Mbps的下行链路速率向地球发送数据。

“通过将新的激光通信技术注入到阿耳忒弥斯任务中,我们让宇航员比以往任何时候都能获得更多的数据。”O2O项目经理史蒂夫·霍洛维茨说。“数据传输速率越高,我们的仪器能够向地球发送的信息就越多,我们的月球探险家能够进行的科学研究也就越多。”

NASA的O2O激光通信终端从阿耳忒弥斯2号任务发送高分辨率数据的图示。
影像来源:NASA’s Goddard Space Flight Center/Dave Ryan

NASA的激光通信技术也延伸到了深空。目前,NASA正在研究一种未来的终端,该终端可以在极端距离和具有挑战性的指向限制条件下测试激光通信。

无论是将激光通信带到近地任务、月球还是深空,光学系统的注入都将是未来NASA任务不可或缺的一部分。激光通信的更高数据速率将使探索和科学任务能够将更多数据发送回地球,并发现更多关于宇宙的信息。NASA将能够利用来自图像、视频和实验的信息,不仅探索近地区域,而且还为未来的火星和其他任务做好准备。

NASA的激光通信任务时间表。
影像来源:NASA’s Goddard Space Flight Center/Dave Ryan

参考来源:

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2022/the-future-of-laser-communications

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