美國國家航空暨太空總署（NASA）的深空光通訊（DSOC）實驗已將編碼有測試資料的近紅外線雷射從近1,000萬英里（1,600萬公里）外（比月球距離地球的距離遠40倍）傳送到加州聖迭戈縣加州理工學院帕洛瑪天文台的黑爾望遠鏡。這是有史以​​來最遠的一次光通訊演示。DSOC是一項可能改變太空船通訊方式的實驗，它實現了”第一道曙光”，首次透過雷射從月球以外的地方發送資料。

美國國家航空暨太空總署（NASA）在”Psyche”號太空船上進行的DSOC實驗成功地演示了利用近紅外線雷射在1000萬英里以外進行的最遠的光通訊。這項里程碑由美國太空總署噴射推進實驗室管理，標誌著太空通訊技術的重大進步，有望為未來的深空任務帶來更高的數據傳輸速率。圖片來源：NASA/JPL-Caltech

DSOC 搭載在最近發射的Psyche 太空船上，在為期兩年的技術展示過程中，當Psyche 飛往火星和木星之間的主要小行星帶時，DSOC 被配置為向地球發送高頻寬測試資料。位於南加州的NASA噴射推進實驗室（JPL_）負責管理DSOC和Psyche。

2022 年12 月8 日，美國國家航空暨太空總署的Psyche 太空船在該局位於佛羅裡達州甘迺迪太空中心附近的Astrotech Space Operations 設施的潔淨室中展示。在靠近中間的位置，可以看到DSOC的金色飛行雷射收發器連接在太空船上。圖片來源：NASA/Ben Smegelsky

11月14日凌晨，Psyche號上能夠收發近紅外線訊號的尖端儀器–飛行雷射收發器（見下圖）–鎖定了從加州賴特伍德附近的JPL桌山設施的光通訊望遠鏡實驗室在發射的強大的上行雷射信標後，該技術演示實現了”首亮”。上行信標幫助收發器將其下行雷射對準帕洛馬爾（位於桌山以南100 英里，即130 公里處），同時收發器和地面站上的自動系統對其指向進行了微調。

2021 年4 月，深空光通訊（DSOC）技術演示的飛行雷射收發器出現在美國太空總署位於南加州的噴射推進實驗室，隨後被安裝在箱形外殼內，並與美國太空總署的Psyche 航天器集成在一起。收發器由一個向地球發送高速率資料的近紅外線雷射發射器和一個接收地面發送的低速率資料的靈敏光子計數相機組成。收發器安裝在一個由支柱和致動器組成的組件上–如圖所示–該組件用於穩定光學器件，使其不受航天器振動的影響。圖片來源：NASA/JPL-Caltech

華盛頓美國宇航局總部技術演示部主任特魯迪-科特斯（Trudy Kortes）說：”實現首次點亮是未來幾個月中DSOC眾多關鍵里程碑中的一個，它為實現更高的數據速率通信鋪平了道路，能夠發送科學信息、高清圖像和流媒體視頻，支持人類的下一次飛躍：將人類送上火星。”

測試數據也透過上行和下行雷射器同時發送，這個過程被稱為”關閉鏈路”，是實驗的主要目標。雖然技術演示沒有傳輸Psyche 任務數據，但它與Psyche 任務支援團隊密切合作，以確保DSOC 的運作不會幹擾太空船的運作。

進一步了解DSOC將如何用於首次測試月球以外的高頻寬資料傳輸，以及它將如何改變深空探索。圖片來源：NASA/JPL-Caltech/ASU

“週二上午的測試是首次全面整合地面資產和飛行收發器的測試，需要DSOC和Psyche操作團隊協同工作，”JPL DSOC操作負責人Meera Srinivasan說。”這是一項艱鉅的挑戰，我們還有很多工作要做，但在短時間內，我們能夠發送、接收和解碼一些資料。”

在取得這項成就之前，該專案還需要檢查其他幾個里程碑，從拆除飛行雷射收發器的保護罩到為儀器供電。同時，”Psyche”號太空船也在進行自己的檢查，包括啟動推進系統和測試儀器，這些儀器將用於在2028年到達小行星”Psyche”時對其進行研究。

11月14日凌晨，NASA深空光通訊（DSOC）技術演示的飛行雷射收發器操作團隊在JPL的Psyche任務支援區工作，該專案實現了”第一道曙光”。圖片來源：NASA/JPL-Caltech

第一束光和第一比特

隨著”第一束光”的成功點亮，DSOC團隊現在將致力於完善收發器上控制下行鏈路雷射器指向的系統。一旦成功，該專案就可以開始示範如何在距離地球不同的距離上保持從收發器到帕洛馬的高頻寬資料傳輸。這些資料以位元（電腦能夠處理的最小資料單位）的形式編碼在雷射的光子（光量子粒子）中。在一個特殊的超導高效能偵測器陣列（見下圖）偵測到這些光子後，新的訊號處理技術被用來從到達黑爾望遠鏡的單光子中提取資料。

這裡展示的是深空光通訊（DSOC）超導奈米線單光子探測器的複製品，它與位於加州聖迭戈縣加州理工學院帕洛瑪天文台的200 英吋（5.1 公尺）海爾望遠鏡連接在一起。該探測器由位於南加州的美國宇航局噴氣推進實驗室的微器件實驗室製造，設計用於接收隨美國宇航局”Psyche”號任務在深空飛行的DSOC 飛行收發器發出的近紅外激光信號，作為技術演示的一部分。資料來源：NASA/JPL-Caltech

DSOC實驗旨在展示比目前太空船使用的最先進射頻系統高10到100倍的資料傳輸速率。無線電和近紅外線雷射通訊都是利用電磁波來傳輸數據的，但近紅外光將數據打包成明顯更緊密的波，使地面站能夠接收更多的數據。這將有助於未來的人類和機器人探索任務，並支援分辨率更高的科學儀器。

美國國家航空暨太空總署太空通訊與導航（SCaN）計畫高級通訊與導航技術部主任傑森-米切爾（Jason Mitchell）博士說：「對於總是希望從太空任務中獲得更多資訊的科學家和研究人員來說，光通訊是一個福音，它將使人類能夠探索深空。更多的數據意味著更多的發現。”

雖然光通訊已經在低地球軌道和月球上得到了驗證，但DSOC是在深空進行的首次測試。就像使用雷射指示器從一英里外追蹤移動的一角硬幣一樣，將雷射光束瞄準數百萬英里之外需要極其精確的”指向”。

11月14日，在技術演示實現”首照”後不久，DSOC地面激光發射機操作員在加利福尼亞州賴特伍德附近JPL台山設施的光通信望遠鏡實驗室合影留念。圖片來源：NASA/JPL-Caltech

該演示還需要補償光線從太空船到地球的遙遠距離所需的時間： 在Psyche距離我們地球最遠的地方，DSOC的近紅外線光子需要大約20分鐘的時間才能返回（在11月14日的測試中，光子從Psyche到地球大約需要50秒）。在這段時間裡，太空船和行星都會發生移動，因此上行和下行雷射需要根據位置的變化進行調整。

「實現首照是一項巨大的成就。地面系統成功地探測到了來自Psyche號上DSOC飛行收發器的深空雷射光子，”JPL DSOC項目技術專家Abi Biswas說。”我們還能夠發送一些數據，這意味著我們能夠與深空交換’光的比特'”。

關於任務的更多信息

DSOC 是由美國太空總署太空技術任務局（NASA’s Space Technology Mission Directorate）和該局太空運行任務局（NASA’s Space Operations Mission Directorate）的太空通訊與導航（SCaN）計劃資助的一系列光通訊演示中的最新專案.