ناسا تتلقى اتصالات الليزر من مسافة تزيد عن 140 مليون ميل

يقوم فريق بإعداد مركبة الفضاء Psyche التابعة لناسا لإطلاقها داخل مرفق العمليات الفضائية Astrotech بالقرب من مركز كينيدي للفضاء التابع للوكالة في فلوريدا في 8 ديسمبر 2022. سيتم إطلاق Psyche على متن صاروخ SpaceX Falcon Heavy من مجمع الإطلاق 39A في كينيدي. الائتمان: ناسا / بن سميجيلسكي

ناساكما تفاعلت تجربة الاتصالات البصرية في الفضاء العميق مع نظام اتصالات المركبة الفضائية Psyche لأول مرة، حيث قامت بنقل البيانات الهندسية إلى الأرض.

على متن المركبة الفضائية Psyche التابعة لناسا، يواصل العرض التوضيحي لتكنولوجيا الاتصالات البصرية في الفضاء العميق التابع للوكالة تحطيم الأرقام القياسية. في حين أن المركبة الفضائية المتجهة إلى الكويكب لا تعتمد على الاتصالات البصرية لإرسال البيانات، فقد أثبتت التكنولوجيا الجديدة أنها على مستوى المهمة. بعد التفاعل مع جهاز إرسال الترددات الراديوية الخاص بـ Psyche، أرسل عرض الاتصالات الليزرية نسخة من البيانات الهندسية من مسافة تزيد عن 140 مليون ميل (226 مليون كيلومتر)، أي ما يعادل مرة ونصف المسافة بين الأرض والشمس.

يوفر هذا الإنجاز لمحة عن كيفية استخدام المركبات الفضائية للاتصالات الضوئية في المستقبل، مما يتيح اتصالات بمعدل بيانات أعلى للمعلومات العلمية المعقدة بالإضافة إلى الصور والفيديو عالية الوضوح لدعم القفزة العملاقة التالية للبشرية: إرسال البشر إلى الفضاء. المريخ.

يُظهر هذا التصور موقع المركبة الفضائية Psyche في 8 أبريل عندما قام جهاز الإرسال والاستقبال الليزري للطيران DSOC بإرسال البيانات بمعدل 25 ميجابت في الثانية على مدى 140 مليون ميل إلى محطة الوصلة الهابطة على الأرض. مصدر الصورة: ناسا/مختبر الدفع النفاث-معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا

قالت ميرا سرينيفاسان، قائدة عمليات المشروع في مختبر الدفع النفاث التابع لناسا في جنوب كاليفورنيا: “لقد قمنا بتوصيل حوالي 10 دقائق من بيانات المركبة الفضائية المكررة أثناء مرورها في 8 أبريل”. “حتى ذلك الحين، كنا نرسل بيانات الاختبار والتشخيص في روابطنا الهابطة من Psyche. ويمثل هذا علامة فارقة مهمة للمشروع من خلال إظهار كيف يمكن للاتصالات الضوئية أن تتفاعل مع نظام اتصالات الترددات الراديوية للمركبة الفضائية.

تم تصميم تقنية الاتصالات بالليزر في هذا العرض التوضيحي لنقل البيانات من الفضاء السحيق بمعدلات أسرع من 10 إلى 100 مرة من أنظمة الترددات الراديوية الحديثة التي تستخدمها مهمات الفضاء السحيق اليوم.

بعد إطلاقها في 13 أكتوبر 2023، تظل المركبة الفضائية سليمة ومستقرة أثناء رحلتها إلى حزام الكويكبات الرئيسي بين المريخ وكوكب الأرض. كوكب المشتري لزيارة الكويكب النفس.

تجاوز التوقعات

أظهر العرض التوضيحي للاتصالات الضوئية التابع لناسا أنه يمكنه نقل بيانات الاختبار بمعدل أقصى يبلغ 267 ميجابت في الثانية (Mbps) من ليزر الوصلة الهابطة القريبة من الأشعة تحت الحمراء لجهاز إرسال واستقبال الليزر – وهو معدل بت مماثل لسرعات تنزيل الإنترنت ذات النطاق العريض.

تم تحقيق ذلك في 11 ديسمبر 2023، عندما أرسلت التجربة مقطع فيديو عالي الدقة مدته 15 ثانية إلى الأرض من مسافة 19 مليون ميل (31 مليون كيلومتر، أو حوالي 80 ضعف المسافة بين الأرض والقمر). الفيديو، إلى جانب بيانات الاختبار الأخرى، بما في ذلك الإصدارات الرقمية من جامعة ولاية أريزونا نفسية مستوحاة تم تحميل العمل الفني على جهاز الإرسال والاستقبال الليزري للطيران (انظر الصورة أدناه) قبل إطلاق Psyche العام الماضي.

يتم عرض جهاز الإرسال والاستقبال الليزري الخاص بتكنولوجيا الاتصالات الضوئية في الفضاء العميق (DSOC) في مختبر الدفع النفاث التابع لناسا في جنوب كاليفورنيا في أبريل 2021، قبل تثبيته داخل غلافه الذي يشبه الصندوق والذي تم دمجه لاحقًا مع مركبة الفضاء Psyche التابعة لناسا. يتكون جهاز الإرسال والاستقبال من جهاز إرسال ليزر يعمل بالأشعة تحت الحمراء القريبة لإرسال بيانات عالية السرعة إلى الأرض، وكاميرا حساسة لحساب الفوتون لتلقي بيانات منخفضة السرعة مرسلة من الأرض. تم تركيب جهاز الإرسال والاستقبال على مجموعة من الدعامات والمشغلات – كما هو موضح في هذه الصورة – والتي تعمل على تثبيت البصريات من اهتزازات المركبة الفضائية. مصدر الصورة: ناسا/مختبر الدفع النفاث-معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا

والآن بعد أن أصبحت المركبة الفضائية أبعد بأكثر من سبع مرات، انخفض المعدل الذي يمكنها به إرسال واستقبال البيانات، كما هو متوقع. خلال اختبار 8 أبريل، أرسلت المركبة الفضائية بيانات الاختبار بمعدل أقصى يبلغ 25 ميجابت في الثانية، وهو ما يتجاوز بكثير هدف المشروع المتمثل في إثبات إمكانية الوصول إلى 1 ميجابت في الثانية على الأقل على تلك المسافة.

كما أمر فريق المشروع جهاز الإرسال والاستقبال بإرسال البيانات الناتجة عن Psyche بصريًا. بينما كانت شركة Psyche تنقل البيانات عبر قناة الترددات الراديوية الخاصة بها إلى شبكة الفضاء السحيق التابعة لناسا (DSN)، قام نظام الاتصالات البصرية في الوقت نفسه بنقل جزء من نفس البيانات إلى تلسكوب هيل في مرصد بالومار التابع لمعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا في مقاطعة سان دييغو، كاليفورنيا – وهو العرض التوضيحي الأساسي للتكنولوجيا المحطة الأرضية للوصلة الهابطة.

“بعد تلقي البيانات من DSN وPalomar، تحققنا من البيانات المرتبطة بصريًا في مختبر الدفع النفاثقال كين أندروز، قائد عمليات طيران المشروع في مختبر الدفع النفاث. “لقد كانت كمية صغيرة من البيانات التي تم نقلها خلال فترة زمنية قصيرة، ولكن حقيقة قيامنا بذلك الآن قد تجاوزت كل توقعاتنا.”

المرح مع الليزر

بعد إطلاق Psyche، تم استخدام العرض التوضيحي للاتصالات الضوئية في البداية لربط البيانات المحملة مسبقًا، بما في ذلك البيانات فيديو تاترز القط. ومنذ ذلك الحين، أثبت المشروع أن جهاز الإرسال والاستقبال يمكنه استقبال البيانات من ليزر الوصلة الصاعدة عالي الطاقة في منشأة Table Mountain في مختبر الدفع النفاث، بالقرب من رايتوود، كاليفورنيا. ويمكن أيضًا إرسال البيانات إلى جهاز الإرسال والاستقبال ومن ثم ربطها مرة أخرى بالأرض في نفس الليلة، كما أثبت المشروع في “تجربة التحول” الأخيرة.

نقلت هذه التجربة بيانات الاختبار – بالإضافة إلى صور الحيوانات الأليفة الرقمية – إلى Psyche والعودة مرة أخرى، في رحلة ذهابًا وإيابًا تصل إلى 280 مليون ميل (450 مليون كيلومتر). كما قامت أيضًا بتوصيل كميات كبيرة من البيانات الهندسية الخاصة بالعرض التكنولوجي لدراسة خصائص رابط الاتصالات البصرية.

“لقد تعلمنا الكثير حول المدى الذي يمكننا من خلاله دفع النظام عندما تكون لدينا سماء صافية العواصف قال رايان روجالين، قائد إلكترونيات استقبال المشروع في مختبر الدفع النفاث: “لقد أوقفوا العمليات في كل من Table Mountain وPalomar في بعض الأحيان”. (في حين أن اتصالات الترددات الراديوية يمكن أن تعمل في معظم الظروف الجوية، فإن الاتصالات البصرية تتطلب سماء صافية نسبيا لنقل البيانات ذات النطاق الترددي العالي.)

محطة الفضاء العميق 13 في مجمع غولدستون التابع لناسا في كاليفورنيا – وهي جزء من شبكة الفضاء العميق التابعة للوكالة – عبارة عن هوائي تجريبي تم تحديثه وتحديثه بطرف بصري. في البداية، تلقى إثبات المفهوم هذا إشارات الترددات الراديوية والليزر من الفضاء السحيق في نفس الوقت. مصدر الصورة: ناسا/مختبر الدفع النفاث-معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا

قاد مختبر الدفع النفاث مؤخرًا تجربة للجمع بين بالومار، وهو الهوائي البصري للترددات الراديوية التجريبي في مجمع غولدستون لاتصالات الفضاء العميق التابع لـ DSN في بارستو، كاليفورنيا، وكاشف في تيبل ماونتن لتلقي نفس الإشارة في الحفل. يمكن أن يساعد “ترتيب” محطات أرضية متعددة لتقليد جهاز استقبال واحد كبير في تعزيز إشارة الفضاء السحيق. يمكن أن تكون هذه الإستراتيجية مفيدة أيضًا إذا اضطرت إحدى المحطات الأرضية إلى عدم الاتصال بالإنترنت بسبب الظروف الجوية؛ لا يزال بإمكان المحطات الأخرى استقبال الإشارة.

المزيد عن البعثة

يعد هذا العرض التوضيحي، الذي يديره مختبر الدفع النفاث، الأحدث في سلسلة من تجارب الاتصالات البصرية الممولة من برنامج مهام عرض التكنولوجيا (TDM) التابع لمديرية مهام تكنولوجيا الفضاء التابعة لناسا وبرنامج SCaN (الاتصالات الفضائية والملاحة) التابع للوكالة داخل مديرية مهام عمليات الفضاء. يتم دعم تطوير جهاز الإرسال والاستقبال الليزري للطيران بواسطة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا مختبر لينكولن، L3 Harris، CACI، First Mode، وControled Dynamics Inc.، وFibretek، وCoherent، وDotfast يدعمون الأنظمة الأرضية. وقد تم تطوير بعض هذه التكنولوجيا من خلال برنامج أبحاث ابتكار الأعمال الصغيرة التابع لناسا.

تقود جامعة ولاية أريزونا مهمة Psyche. مختبر الدفع النفاث مسؤول عن الإدارة الشاملة للمهمة، وهندسة النظام، والتكامل والاختبار، وعمليات المهمة. Psyche هي المهمة الرابعة عشرة التي تم اختيارها كجزء من برنامج الاستكشاف التابع لناسا تحت إدارة المهام العلمية، والذي يديره مركز مارشال لرحلات الفضاء التابع للوكالة في هانتسفيل، ألاباما. وقام برنامج خدمات الإطلاق التابع لناسا، ومقره في مركز كينيدي للفضاء التابع للوكالة في فلوريدا، بإدارة خدمة الإطلاق. قدمت شركة Maxar Technologies هيكل المركبة الفضائية ذات الدفع الكهربائي بالطاقة الشمسية عالي الطاقة من بالو ألتو، كاليفورنيا.