美國國家航空航天局（NASA）的深空光通信（DSOC）項目將於今年秋天啟動，該項目將測試激光如何加快數據傳輸的速度，遠遠超過目前太空中使用的射頻系統的容量。DSOC被稱為技術演示，它可能會為寬帶通信鋪平道路，幫助支持人類的下一次飛躍：NASA將宇航員送上火星。

美國國家航空航天局（NASA）的深空光通信（DSOC）項目將於今年秋季啟動，旨在探索激光在增強空間數據傳輸方面的能力。

DSOC近紅外激光收發器（一種可以發送和接收數據的設備）將”搭載”美國國家航空航天局的”Psyche”任務，該任務將於今年10月發射到一顆富含金屬的同名小行星上。在旅程的頭兩年，收發器將與南加州的兩個地面站進行通信，測試高靈敏度的探測器、強大的激光發射器以及解碼收發器從深空發送的信號的新方法。

深空光通信（DSOC）飛行收發器位於Psyche 航天器上一個大型管狀遮陽板和望遠鏡內，如圖所示，它位於JPL 的一個無塵室內。上一張照片（插圖）顯示了收發器與航天器集成之前的裝配情況。圖片來源：NASA/JPL-Caltech

光通信的潛力

美國國家航空航天局（NASA）專注於激光或光學通信，因為它具有超越無線電波帶寬的潛力，而半個多世紀以來，美國國家航空航天局一直依賴於無線電波。無線電和近紅外激光通信都使用電磁波來傳輸數據，但近紅外光將數據打包成更緊密的波段，使地面站能夠一次性接收更多數據。

“位於南加州的美國宇航局噴氣推進實驗室的DSOC 項目技術專家Abi Biswas 說：”DSOC 的設計目的是展示10 到100 倍於目前太空中使用的最先進無線電系統的數據傳輸能力。用於近地軌道和月球軌道衛星的高帶寬激光通信已經得到驗證，但深空提出了新的挑戰”。

目前，前往深空的任務比以往任何時候都多，而且它們有望以復雜的科學測量、高清圖像和視頻的形式產生比以往任務多得多的數據。因此，像DSOC 這樣的實驗將在幫助NASA 推進未來航天器和地面系統常規使用的技術方面發揮至關重要的作用。

加利福尼亞州圣迭戈縣加州理工學院帕洛瑪天文台的黑爾望遠鏡將接收來自DSOC 飛行收發器的高速數據下行鏈路。該望遠鏡配備了一個新型超導探測器，能夠對來自深空的單個光子的到達時間進行計時。資料來源：帕洛瑪/加州理工學院

“DSOC代表了NASA下一階段開發革命性改進通信技術的計劃，這些技術有能力增加太空數據傳輸–這對NASA未來的雄心壯志至關重要，”位於華盛頓的NASA總部技術示範任務（TDM）計劃主任特魯迪-科特斯（Trudy Kortes）說。”我們很高興有機會在Psyche的飛行中測試這項技術。”

突破性技術

搭載在Psyche上的收發器採用了多項新技術，其中包括一台前所未見的光子計數相機，該相機連接到一個從航天器側面伸出的8.6英寸（22厘米）孔徑望遠鏡上。收發器將自主掃描並”鎖定”由JPL 位於加利福尼亞州賴特伍德附近的光通信望遠鏡實驗室發射的高功率近紅外激光上行鏈路。激光上行鏈路還將演示向收發器發送指令。

NASA總部空間通信與導航（SCaN）項目執行官傑森-米切爾（Jason Mitchell）說：”功能強大的上行鏈路激光器是這項技術演示的關鍵部分，它可以為航天器提供更高的速率，我們地面系統的升級將使未來的深空任務實現光通信。”

鎖定上行鏈路激光器後，收發器將定位加州理工學院帕洛瑪天文台的200 英寸（5.1 米）海爾望遠鏡，該天文台位於加利福尼亞州圣迭戈縣，在桌山以南約100 英里（130 公里）處。然後，收發器將使用其近紅外激光器向帕洛瑪天文台傳輸高速率數據。航天器的振動可能會使激光偏離目標，而將收發器固定在”詩神”號上的最先進的支柱將對振動起到抑製作用。

為了接收來自DSOC 收發器的高速下行激光，黑爾望遠鏡安裝了一個新穎的超導納米線單光子探測器組件。該組件經過低溫冷卻，可以檢測到單個入射激光光子（光量子粒子）並記錄其到達時間。激光光子以脈衝串的形式傳輸，必須飛行超過2億英里（約合3億公里）–這是航天器在這次技術演示中最遠的距離–然後才能檢測到微弱的信號，並對其進行處理以提取信息。

JPL的DSOC項目經理比爾-克里普斯坦（Bill Klipstein）說：”DSOC的每一個組件都展示了新技術，從高功率上行鏈路激光器到收發器望遠鏡上的指向系統，再到能夠在單光子到達時對其進行計數的極其靈敏的探測器。”團隊甚至需要開發新的信號處理技術，以便從遠距離傳輸的微弱信號中提取信息”。

挑戰與創新

遙遠的距離給技術演示帶來了另一個挑戰： Psyche的旅程越遠，光子到達目的地的時間就越長，會產生長達數十分鐘的滯後。在激光光子傳播的過程中，地球和航天器的位置將不斷變化，因此需要對這種滯後進行補償。

比斯瓦斯說：”在處理地球和Psyche 的相對運動的同時，將激光指向並鎖定在數百萬英里之外，這對我們的項目是一個令人興奮的挑戰。”