NASA的DSN混合天线开启了深空激光通信的新时代

位于美国国家航空航天局加利福尼亚州金石综合体的第 13 号深空站是该局深空网络的一部分，它是一个加装了光学终端的实验性天线。这一概念验证首次同时接收来自深空的射频和激光信号。图片来源：NASA/JPL-加州理工学院

美国国家航空航天局（NASA）的"Psyche"号宇宙飞船在深空飞行时，一根实验天线接收到了它发出的射频和近红外激光信号。这表明，美国国家航空航天局深空网络（DSN）通过无线电波与航天器通信的巨型碟形天线有可能改装为光学或激光通信天线。

通过将更多数据打包传输，光通信将实现新的空间探索能力，同时随着网络需求的增长为 DSN 提供支持。

13 号深空站光学终端的特写显示了七个六角形反射镜，用于收集 DSOC 下行链路激光器发出的信号。反射镜将光线反射到正上方的照相机中，然后信号通过光纤系统传送到探测器。图片来源：NASA/JPL-Caltech

自2023年11月以来，这个34米（112英尺）长的射频-光学-混合天线一直在跟踪NASA深空光通信（DSOC）技术演示的下行激光。该技术演示的飞行激光收发器（见下图）与该机构于 2023 年 10 月 13 日发射的Psyche 航天器一起飞行。

混合天线位于加利福尼亚州巴斯托附近的 DSN 的金石深空通信综合体，不属于 DSOC 实验的一部分。DSN、DSOC 和 Psyche 由位于南加州的 NASA 喷气推进实验室管理。

2021 年 4 月，深空光通信（DSOC）技术演示的飞行激光收发器在位于南加州的美国宇航局喷气推进实验室展示，随后被安装在其盒式外壳内，该外壳后来与美国宇航局的 Psyche 航天器集成在一起。收发器由一个向地球发送高速率数据的近红外激光发射器和一个接收地面发送的低速率数据的灵敏光子计数相机组成。收发器安装在一个由支柱和致动器组成的组件上--如图所示--该组件用于稳定光学器件，使其不受航天器振动的影响。图片来源：NASA/JPL-Caltech

JPL的DSN副经理艾米-史密斯（Amy Smith）说："自技术演示发射后不久，我们的混合天线就能够成功、可靠地锁定和跟踪DSOC下行链路。它还接收到了Psyche的射频信号，因此我们首次展示了同步射频和光频深空通信"。

2023 年末，混合天线以每秒 15.63 兆比特的速度从 2000 万英里（3200 万公里）外下行链路传输数据--比该距离上的无线电频率通信快约 40 倍。2024 年 1 月 1 日，该天线下传了一张团队照片，这张照片在 Psyche 发射之前就已经上传到 DSOC。

现在，戈德斯通的实验性混合天线已经证明，同一天线可以同步接收无线电和激光信号，因此，专门建造的混合天线（如图中的艺术家概念图）有朝一日可能会成为现实。图片来源：NASA/JPL-Caltech

为了探测激光的光子（光量子粒子），工程人员在混合天线的弯曲表面内侧安装了七块超精密分段镜。这些镜片与美国国家航空航天局詹姆斯-韦伯太空望远镜的六边形镜片相似，模仿了 3.3 英尺（1 米）孔径望远镜的光收集孔径。当激光光子到达天线时，每个镜面都会反射这些光子，并将它们精确地重新定向到一个高曝光相机中，该相机连接在天线的副反射镜上，悬挂在碟形天线中心的上方。

相机收集到的激光信号通过光纤传输到低温冷却的半导体纳米线单光子探测器。该探测器由 JPL 的微器件实验室设计和制造，与加州理工学院帕洛玛天文台使用的探测器（见下图）完全相同，帕洛玛天文台位于加利福尼亚州圣迭戈县，是 DSOC 的下行链路地面站。

这里展示的是深空光通信（DSOC）超导纳米线单光子探测器的复制品，它与位于加利福尼亚州圣迭戈县加州理工学院帕洛玛天文台的 200 英寸（5.1 米）海尔望远镜相连。该探测器由位于南加州的美国宇航局喷气推进实验室的微器件实验室制造，设计用于接收随美国宇航局"Psyche"号任务在深空飞行的 DSOC 飞行收发器发出的近红外激光信号，作为技术演示的一部分。图片来源：NASA/JPL-Caltech

"这是一个建立在34米柔性结构上的高公差光学系统，"JPL的通信地面系统副经理兼混合天线交付经理Barzia Tehrani说。"我们使用一个由反射镜、精确传感器和摄像头组成的系统，主动对准并引导来自深空的激光进入到达探测器的光纤。"

Tehrani 希望天线的灵敏度足以探测到火星在距离地球最远的地方（太阳到地球距离的 2.5 倍）发出的激光信号。Psyche 号将于 6 月份到达这个距离，前往火星和木星之间的主小行星带，调查富含金属的小行星 Psyche。

天线上的七段反射器是一个概念验证，未来可能会使用64段（相当于26英尺（8米）口径的望远镜）更大、更强大的版本。

在实验天线测试期间，这张 JPL 项目组的照片被 Psyche 号上的 DSOC 收发器下传。资料来源：NASA/JPL-Caltech

DSOC 正在为能够传输复杂科学信息、视频和高清图像的更高速率通信铺平道路，以支持人类的下一次飞跃：将人类送上火星。最近，该技术演示以创纪录的比特率从深空传输了首段超高清视频。

用光学终端改装射频天线和建造专用混合天线可以解决目前缺乏专用光学地面基础设施的问题。DSN 有 14 个天线，分布在加利福尼亚、马德里和澳大利亚堪培拉的设施中。混合天线可以依靠光通信接收大量数据，并使用无线电频率接收带宽密集度较低的数据，如遥测数据（健康和位置信息）。

Tehrani 说："几十年来，我们一直在为 DSN 遍布全球的巨型天线增加新的无线电频率，因此最可行的下一步就是增加光学频率。我们可以用一种资产同时做两件事；将我们的通信道路变成高速公路，节省时间、金钱和资源。"

DSOC是美国国家航空航天局（NASA）技术示范任务（TDM）计划和空间通信与导航（SCaN）计划资助的一系列光通信示范项目中的最新项目。JPL是位于加利福尼亚州帕萨迪纳的加州理工学院的一个分部，负责管理NASA空间技术任务局TDM和空间运行任务局SCaN的DSOC。

编译来源：ScitechDaily