美國國家航空暨太空總署在DSN 中引入混合天線標誌著太空通訊領域的重大進步，可實現更快的資料傳輸並支援未來探索的需求。DSN 的混合天線能夠同時接收射頻和光訊號，已經追蹤並解碼了NASA Psyche 任務上DSOC 發射的下行雷射。

位於美國國家航空暨太空總署加州金石綜合體的第13 號深空站是該局深空網路的一部分，它是一個加裝了光學終端的實驗性天線。這個概念驗證首次同時接收來自深空的射頻和雷射訊號。圖片來源：NASA/JPL-加州理工學院

美國國家航空暨太空總署（NASA）的”Psyche”號太空船在深空飛行時，一根實驗天線接收到了它發出的射頻和近紅外線雷射訊號。這表明，美國國家航空暨太空總署深空網路（DSN）透過無線電波與太空船通訊的巨型碟形天線有可能改裝為光學或雷射通訊天線。

透過將更多資料打包傳輸，光通訊將實現新的空間探索能力，同時隨著網路需求的成長為DSN 提供支援。

13 號深空站光學終端的特寫顯示了七個六角形反射鏡，用於收集DSOC 下行鏈路雷射器發出的信號。反射鏡將光線反射到正上方的照相機中，然後訊號會經由光纖系統傳送到偵測器。圖片來源：NASA/JPL-Caltech

自2023年11月以來，這個34公尺（112英尺）長的射頻-光學-混合天線一直在追蹤NASA深空光通訊（DSOC）技術演示的下行雷射。該技術演示的飛行雷射收發器（見下圖）與該機構於2023 年10 月13 日發射的Psyche 太空船一起飛行。

混合天線位於加州巴斯托附近的DSN 的金石深空通訊綜合體，不屬於DSOC 實驗的一部分。DSN、DSOC 和Psyche 由位於南加州的NASA 噴射推進實驗室管理。

2021 年4 月，深空光通訊（DSOC）技術演示的飛行雷射收發器在位於南加州的美國宇航局噴射推進實驗室展示，隨後被安裝在其盒式外殼內，該外殼後來與美國宇航局的Psyche 太空船整合在一起。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

JPL的DSN副經理艾米-史密斯（Amy Smith）說：”自從技術演示發射後不久，我們的混合天線就能夠成功、可靠地鎖定和跟踪DSOC下行鏈路。它還接收到了Psyche的射頻信號，因此我們首次展示了同步射頻和光頻深空通訊”。

2023 年末，混合天線以每秒15.63 兆位元的速度從2,000 萬英里（3,200 萬公里）外下行鏈路傳輸資料–比該距離上的無線電頻率通訊快約40 倍。2024 年1 月1 日，該天線下傳了一張團隊照片，這張照片在Psyche 發射之前就已經上傳到DSOC。

現在，戈德斯通的實驗性混合天線已經證明，同一天線可以同步接收無線電和雷射訊號，因此，專門建造的混合天線（如圖中的藝術家概念圖）有朝一日可能會成為現實。圖片來源：NASA/JPL-Caltech

為了偵測雷射的光子（光量子粒子），工程人員在混合天線的彎曲表面內側安裝了七塊超精密分段鏡。這些鏡片與美國國家航空暨太空總署詹姆斯-韋伯太空望遠鏡的六角形鏡片相似，模仿了3.3 英尺（1 公尺）孔徑望遠鏡的光收集孔徑。當雷射光子到達天線時，每個鏡面都會反射這些光子，並將它們精確地重新定向到一個高曝光相機中，該相機連接在天線的副反射鏡上，懸掛在碟形天線中心的上方。

相機收集到的雷射訊號透過光纖傳輸到低溫冷卻的半導體奈米線單光子偵測器。該探測器由JPL 的微型元件實驗室設計和製造，與加州理工學院帕洛瑪天文台使用的探測器（見下圖）完全相同，帕洛瑪天文台位於加州聖迭戈縣，是DSOC 的下行鏈路地面站。

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）海爾望遠鏡相連。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。圖片來源：NASA/JPL-Caltech

“這是一個建立在34米柔性結構上的高公差光學系統，”JPL的通訊地面系統副經理兼混合天線交付經理Barzia Tehrani說。”我們使用一個由反射鏡、精確感測器和攝影機組成的系統，主動對準並引導來自深空的雷射進入到達偵測器的光纖。”

Tehrani 希望天線的靈敏度足以偵測到火星在距離地球最遠的地方（太陽到地球距離的2.5 倍）發出的雷射訊號。Psyche 號將於6 月到達這個距離，前往火星和木星之間的主小行星帶，調查富含金屬的小行星Psyche。

天線上的七段反射器是一個概念驗證，未來可能會使用64段（相當於26英尺（8米）口徑的望遠鏡）更大、更強大的版本。

在實驗天線測試期間，這張JPL 專案組的照片被Psyche 號上的DSOC 收發器下傳。資料來源：NASA/JPL-Caltech

DSOC 正在為能夠傳輸複雜科學資訊、視訊和高清影像的更高速率通訊鋪平道路，以支持人類的下一次飛躍：將人類送上火星。最近，該技術演示以創紀錄的比特率從深空傳輸了首段超高清影片。

用光學終端改裝射頻天線和建造專用混合天線可以解決目前缺乏專用光學地面基礎設施的問題。DSN 有14 個天線，分佈在加州、馬德里和澳洲坎培拉的設施中。混合天線可以依靠光通訊接收大量數據，並使用無線電頻率接收頻寬密集度較低的數據，如遙測數據（健康和位置資訊）。

Tehrani 說：”幾十年來，我們一直在為DSN 遍布全球的巨型天線增加新的無線電頻率，因此最可行的下一步就是增加光學頻率。我們可以用一種資產同時做兩件事；將我們的通訊道路變成高速公路，節省時間、金錢和資源。”

DSOC是美國國家航空暨太空總署（NASA）技術示範任務（TDM）計畫和太空通訊與導航（SCaN）計畫資助的一系列光通訊示範計畫中的最新計畫。JPL是位於加州帕薩迪納的加州理工學院的一個分部，負責管理NASA太空技術任務局TDM和空間運行任務局SCaN的DSOC。

編譯來源：ScitechDaily