美國國家航空暨太空總署（NASA）的深空光通訊技術演示已經完成了幾個關鍵的里程碑，最終將訊號發送到了火星距離地球最遠的地方。 Psyche太空船上搭載的光通訊技術已被證明在長達2.9億英里的距離上有效，為未來的太空高速數據傳輸鋪平了道路。

在這幅藝術家的構想圖中，美國太空總署的Psyche 太空船正在接收來自JPL 台山設施的深空光通訊上行鏈路地面站的雷射訊號。 DSOC 實驗包括一個上行鏈路站和下行鏈路站，以及一個與Psyche 一起飛行的雷射收發器。 資料來源：NASA/JPL-Caltech

今年夏天，美國國家航空暨太空總署（NASA）的深空光通訊技術演示創造了雷射通訊的新紀錄，從地球向大約2.9億英里（4.6億公里）外的Psyche太空船發射了雷射訊號。 這與我們的地球和火星之間相距最遠時的距離相同。

在7月29日達到這一里程碑後不久，技術演示成功完成了其初始階段的運行，該階段始於2023年10月13日搭載”詩神”號的發射。

“這項里程碑意義重大。雷射通訊需要非常高的精度，在我們發射Psyche之前，我們不知道在最遠的距離上性能會下降多少，”位於南加州的NASA 噴射推進實驗室的專案運作負責人Meera Srinivasan說。 “現在，我們用來追蹤和指向的技術已經得到驗證，證實了光通訊可以成為探索太陽系的一種強大而具有變革性的方式”。

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

深空光通訊實驗由JPL管理，包括一個飛行雷射收發器和兩個地面站。 加州理工學院歷史悠久的200 吋（5 公尺）孔徑的黑爾望遠鏡位於加州聖地牙哥帕洛瑪天文台，是雷射收發器從深空發送資料的下行鏈路站。 位於JPL 靠近加州賴特伍德的桌山設施的光通訊望遠鏡實驗室充當上行鏈路站，能夠發射7 千瓦的雷射功率向收發器發送資料。

雷射傳輸數據的速率是無線電頻率的100倍，因此可以傳輸複雜的科學信息以及高清晰度圖像和視頻，而這正是宇航員前往火星及其他地方進行人類下一次大飛躍所需要的。

至於飛船，”Psyche”號依然健康穩定，利用離子推進加速駛向火星和木星之間主小行星帶中一顆富含金屬的小行星。

美國國家航空暨太空總署的Psyche任務旨在揭開位於火星和木星之間小行星帶的金屬小行星16 Psyche的神秘面紗。 這項獨特任務的重點是探索被認為是原始行星裸露的核心，為了解行星形成的構成要素提供難得的一瞥。 這些發現可以揭示地球自身的內核，並提供有關太陽系歷史的線索。 資料來源：NASA/JPL-Caltech/ASU

此技術演示的數據是以近紅外光編碼的比特形式從Psyche 發送和接收的，近紅外光的頻率高於無線電波。 這種較高的頻率可以將更多的資料打包傳輸，從而大大提高資料傳輸速率。

即使當”Psyche”距離地球約3300萬英里（5300萬公里）（相當於火星距離地球最近的距離）時，技術演示也能以每秒267兆比特的系統最高速率傳輸數據。 這一比特率與寬頻網路的下載速度類似。 隨著太空船的飛行距離越來越遠，它發送和接收資料的速率也會隨之降低。

6 月24 日，當Psyche 號距離地球約2.4 億英里（3.9 億公里）時（超過地球與太陽之間距離的2.5 倍），該計畫實現了每秒6.25 兆位元的持續下行鏈路資料傳輸速率，最大傳輸速率為每秒8.3 兆位元。 雖然這速率大大低於實驗的最大速率，但卻遠高於使用同等功率的射頻通訊系統在這一距離上所能達到的速率。

深空光通訊的目標是展示能夠以比射頻系統等其他太空通訊技術更高的速度可靠地傳輸資料的技術。 為了實現這一目標，該專案有機會測試獨特的數據集，如藝術品和高清視頻，以及來自Psyche 太空船的工程數據。 例如，一個下行鏈路包括亞利桑那州立大學”Psyche靈感”藝術品的數位版本、團隊寵物的圖像以及一段45秒的超高清視頻，該視頻惡搞了上個世紀的電視測試模式，並描繪了地球和太空的場景。

這次技術演示於2023 年12 月11 日從1900 萬英里之外將第一部來自太空的超高清視頻從Psyche 航天器傳送到地球，視頻的主角是一隻名叫Taters 的貓。 (藝術品、圖像和影片已在發射前上傳至Psyche 並儲存在其內存中）。

“該系統的一個關鍵目標是證明資料傳輸速率的降低與距離的平方反比成正比，”JPL的技術演示專案技術專家Abi Biswas說。 “我們實現了這一目標，並透過雷射向Psyche 太空船傳輸了大量測試資料。在演示的第一階段，已經下行傳輸了近11太比特的資料。”

飛行收發器的電源已關閉，將於11 月4 日重新啟動。 這項活動將證明飛行硬體至少可以運行一年。

JPL 專案飛行操作負責人 Ken Andrews表示：「我們將打開飛行雷射收發器的電源，對其功能進行短期檢查。一旦實現了這一點，我們就可以期待在今年晚些時候開始的後連接階段以其全部設計能力運行收發器了。

這次演示是一系列光通訊實驗中的最新一次，這些實驗由太空技術任務局的技術演示任務計劃資助，該計劃由位於阿拉巴馬州亨茨維爾的美國宇航局馬歇爾太空飛行中心和該局空間運作任務局的SCaN（空間通訊與導航）計畫管理。 飛行雷射收發器的開發得到了MIT 林肯實驗室、L3 Harris、CACI、First Mode 和Controlled Dynamics Inc. Fibertek、Coherent、加州理工學院光學觀測站和Dotfast 等合作夥伴為地面系統提供支援。 此外，部分技術是透過美國太空總署的小型企業創新研究計畫開發的。

編譯自/ SciTechDaily