美国国家航空航天局的深空光通信实验实现历史性数据交换

美国国家航空航天局（NASA）的深空光通信（DSOC）实验已将编码有测试数据的近红外激光从近1000万英里（1600万公里）外（比月球距离地球的距离远40倍）传送到加州圣迭戈县加州理工学院帕洛玛天文台的黑尔望远镜。这是有史以来最远的一次光通信演示。DSOC是一项可能改变航天器通信方式的实验，它实现了"第一道曙光"，首次通过激光从月球以外的地方发送数据。

美国国家航空航天局（NASA）在"Psyche"号航天器上进行的DSOC实验成功地演示了利用近红外激光在1000万英里以外进行的最远的光通信。这一里程碑由美国宇航局喷气推进实验室管理，标志着太空通信技术的重大进步，有望为未来的深空任务带来更高的数据传输速率。图片来源：NASA/JPL-Caltech

DSOC 搭载在最近发射的 Psyche 航天器上，在为期两年的技术演示过程中，当 Psyche 飞往火星和木星之间的主要小行星带时，DSOC 被配置为向地球发送高带宽测试数据。位于南加州的NASA喷气推进实验室（JPL_）负责管理DSOC和Psyche。

2022 年 12 月 8 日，美国国家航空航天局的 Psyche 航天器在该局位于佛罗里达州肯尼迪航天中心附近的 Astrotech Space Operations 设施的洁净室中展示。在靠近中间的位置，可以看到DSOC的金色飞行激光收发器连接在航天器上。图片来源：NASA/Ben Smegelsky

11月14日凌晨，Psyche号上能够收发近红外信号的尖端仪器--飞行激光收发器（见下图）--锁定了从加利福尼亚州赖特伍德附近的JPL桌山设施的光通信望远镜实验室发射的强大的上行激光信标后，该技术演示实现了"首亮"。上行信标帮助收发器将其下行激光对准帕洛马尔（位于桌山以南 100 英里，即 130 公里处），同时收发器和地面站上的自动系统对其指向进行了微调。

2021 年 4 月，深空光通信（DSOC）技术演示的飞行激光收发器出现在美国宇航局位于南加州的喷气推进实验室，随后被安装在箱形外壳内，并与美国宇航局的 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

华盛顿美国宇航局总部技术演示部主任特鲁迪-科特斯（Trudy Kortes）说："实现首次点亮是未来几个月中DSOC众多关键里程碑中的一个，它为实现更高的数据速率通信铺平了道路，能够发送科学信息、高清图像和流媒体视频，支持人类的下一次飞跃：将人类送上火星。"

测试数据还通过上行和下行激光器同时发送，这一过程被称为"关闭链路"，是实验的主要目标。虽然技术演示没有传输 Psyche 任务数据，但它与 Psyche 任务支持团队密切合作，以确保 DSOC 的运行不会干扰航天器的运行。

进一步了解DSOC将如何用于首次测试月球以外的高带宽数据传输，以及它将如何改变深空探索。图片来源：NASA/JPL-Caltech/ASU

"周二上午的测试是首次全面整合地面资产和飞行收发器的测试，需要DSOC和Psyche操作团队协同工作，"JPL DSOC操作负责人Meera Srinivasan说。"这是一项艰巨的挑战，我们还有很多工作要做，但在短时间内，我们能够发送、接收和解码一些数据。"

在取得这一成就之前，该项目还需要检查其他几个里程碑，从拆除飞行激光收发器的保护罩到为仪器供电。与此同时，"Psyche"号航天器也在进行自己的检查，包括启动推进系统和测试仪器，这些仪器将用于在2028年到达小行星"Psyche"时对其进行研究。

11月14日凌晨，NASA深空光通信（DSOC）技术演示的飞行激光收发器操作团队在JPL的Psyche任务支持区工作，该项目实现了"第一道曙光"。图片来源：NASA/JPL-Caltech

第一束光和第一比特

随着"第一束光"的成功点亮，DSOC团队现在将致力于完善收发器上控制下行链路激光器指向的系统。一旦成功，该项目就可以开始演示如何在距离地球不同的距离上保持从收发器到帕洛马的高带宽数据传输。这些数据以比特（计算机能够处理的最小数据单位）的形式编码在激光的光子（光量子粒子）中。在一个特殊的超导高效探测器阵列（见下图）探测到这些光子后，新的信号处理技术被用来从到达黑尔望远镜的单光子中提取数据。

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）海尔望远镜连接在一起。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。资料来源：NASA/JPL-Caltech

DSOC实验旨在展示比目前航天器使用的最先进射频系统高10到100倍的数据传输速率。无线电和近红外激光通信都是利用电磁波来传输数据的，但近红外光将数据打包成明显更紧密的波，使地面站能够接收到更多的数据。这将有助于未来的人类和机器人探索任务，并支持分辨率更高的科学仪器。

美国国家航空航天局太空通信与导航（SCaN）计划高级通信与导航技术部主任杰森-米切尔（Jason Mitchell）博士说："对于总是希望从太空任务中获得更多信息的科学家和研究人员来说，光通信是一个福音，它将使人类能够探索深空。更多的数据意味着更多的发现。"

虽然光通信已经在低地球轨道和月球上得到了验证，但DSOC是在深空进行的首次测试。就像使用激光指示器从一英里外追踪移动的一角硬币一样，将激光束瞄准数百万英里之外需要极其精确的"指向"。

11月14日，在技术演示实现"首照"后不久，DSOC地面激光发射机操作员在加利福尼亚州赖特伍德附近JPL台山设施的光通信望远镜实验室合影留念。图片来源：NASA/JPL-Caltech

该演示还需要补偿光线从航天器到地球的遥远距离所需的时间： 在Psyche距离我们地球最远的地方，DSOC的近红外线光子需要大约20分钟的时间才能返回（在11月14日的测试中，光子从Psyche到地球大约需要50秒）。在这段时间里，航天器和行星都会发生移动，因此上行和下行激光器需要根据位置的变化进行调整。

"实现首照是一项巨大的成就。地面系统成功地探测到了来自Psyche号上DSOC飞行收发器的深空激光光子，"JPL DSOC项目技术专家Abi Biswas说。"我们还能够发送一些数据，这意味着我们能够与深空交换'光的比特'"。

关于任务的更多信息

DSOC 是由美国宇航局空间技术任务局（NASA's Space Technology Mission Directorate）和该局空间运行任务局（NASA's Space Operations Mission Directorate）的空间通信与导航（SCaN）计划资助的一系列光通信演示中的最新项目。

空间通信的里程碑：深空光通信的“第一光”实验

这几天，全世界的目光都聚集在SpaceX第二次星舰超重型火箭发射试验，但是前几天美国宇航局开创性的深空光通信（ Deep Space Optical Communications, DSOC）实验，使得太空探索领域正处于通信革命的边缘。最近，DSOC实现了一个被称为“第一光（First Light）”的重要里程碑，为我们如何在浩瀚的空间中沟通设定了新标准。这一开创性的努力预示着高带宽、基于激光的空间通信的新时代。

DSOC实验由美国宇航局喷气推进实验室（JPL）开发和管理，是最近发射的普赛克任务(Psyche mission)的一部分， 这个任务旨在探索火星和木星之间的主要小行星带。DSOC的主要目标是证明近红外激光通信的可行性，其传输速度可能比当前最先进的射频（RF）系统快10至100倍。

第一光：破纪录的成就

“第一光”一词传统上标志着首次成功使用新的天文仪器。对于DSOC来说，这个里程碑是通过近红外激光从近1000万英里的惊人距离成功传输数据时实现的，大约是地球和月球之间距离的40倍。加利福尼亚州圣地亚哥县帕洛马天文台的黑尔望远镜接收了这次传输，这是太空中光通信技术有史以来实现的最遥远的距离。

DSOC成功的意义

通过DSOC的激光从如此遥远的距离成功传输和接收数据具有多重影响：

1.概念验证：DSOC的成就证明了光通信在深空任务中是可行的。瞄准激光束的精度以及在这种距离上传输和接收数据的能力是重要的技术壮举。

2.增强的数据传输：DSOC可能产生的高数据速率有望迎来太空探索的新时代。未来的任务可以发送高分辨率图像、视频和大量科学数据，极大地提高我们对宇宙的理解。

3.精度和挑战：该实验强调了此类通信所需的精度，包括需要考虑航天器和地球的相对运动以及所涉及的远距离造成的延迟。

DSOC实验离不开几项关键技术进步

- 大功率激光发射器：这些对于在太空数百万英里内发送信号至关重要。

- 指向、采集和跟踪（Pointing, Acquisition, and Tracking, PAT）系统：对于精确引导激光束跨越远距离至关重要。

- 自适应光学和大气补偿：减轻地球大气对激光信号的影响。

- 强大的错误纠正算法：对于确保长途传输的数据完整性至关重要。

挑战和未来前景

虽然DSOC的“第一光”是一项巨大的成就，但它也揭示了未来发展的几个挑战：

1.保持准确的指向：对更先进的PAT系统的需求是显而易见的，因为激光通信所需的精度非常高。

2.应对大气干扰：DSOC的未来迭代可能需要增强自适应光学和实时大气监测，以克服大气干扰。

3.信号处理和光子级别的效能：先进的信号处理和光子级效能的调制技术对于从收到的每个光子中最大限度地提取信息至关重要。

火星以及更遥远太空的潜力

DSOC的成功不仅限于Psyche任务。它的影响远远超出了这次任务，特别是对未来的火星任务。DSOC演示的技术可能会改变火星任务通信的游戏规则，提供人类太空探索所需的大容量数据传输和进行高分辨率科学研究装置。

结论

DSOC实验的“第一光”不仅仅是一个技术胜利；它照亮了通往深空通信不再受射频系统限制的未来的道路。当我们站在太空探索新时代的风口浪尖上，DSOC先进的光通信技术所释放的可能性与空间本身一样巨大。从增强的数据传输到新的探索视野，DSOC为人类进入宇宙的下一个巨大飞跃奠定了基础。

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