В NASA сообщили, что 8 апреля провели очередное испытание дальней космической связи по оптическому каналу. Оптика должна многократно поднять скорость связи с далёкими станциями и будущей марсианской базой в частности. Для этого зонд NASA «Психея» (Psyche) несёт на борту экспериментальную лазерную установку. Сеанс связи с зондом состоялся, когда тот был на удалении 226 млн км от Земли, что в полтора раза больше, чем расстояние между Солнцем и Землёй.

Источник изображения: NASA

Согласно ожиданиям разработчиков, скорость оптической связи в космосе на удалении в несколько сотен миллионов километров для экспериментальной установки на борту «Психеи» должна была быть не менее 1 Мбит/с. По факту лазер передатчика зонда, работающий в ближнем инфракрасном диапазоне, передал на Землю пакет данных со скоростью 25 Мбит/с, чем очень удивил команду миссии. Это лучше всяких слов доказало, что концепция дальней космической оптической связи по сути верна и успешно реализуется. По крайней мере, в экспериментальных установках.

На более близких дистанциях скорость оптической связи ощутимо выше. Например, первый сеанс оптической связи с «Психеей» состоялся, когда она улетела от Земли на 31 млн км. На таком удалении скорость передачи данных из космоса достигла 267 Мбит/с. Подобные скорости в оптике будут на один–два порядка выше, чем в радиочастотном диапазоне. Тот же телескоп «Уэбб» имеет радиочастотный канал связи с Землёй шириной 28 Мбит/с. Оптика на порядок увеличила бы его пропускную способность.

Блок лазерного приёмопередатчика «Психеи» не предназначен для передачи научных данных с борта зонда на Землю. Для демонстрации и испытаний возможностей оптической связи видео и другие данные были записаны в него ещё на Земле. Тем не менее, команда зонда смогла продублировать передачу фрагмента инженерных данных с борта зонда по оптическому каналу в то же время, как эти данные передавались по основному радиоканалу. Тем самым NASA получило возможность заявить, что впервые по оптике были переданы инженерные данные с борта космического корабля из глубокого космоса.

Также был поставлен другой эксперимент, когда одна наземная станция по мощному лазеру передала большой пакет данных на зонд, а зонд передал их обратно на другую наземную станцию (на телескоп Паломарской обсерватории Калифорнийского технологического института в округе Сан-Диего, Калифорния). Пакет данных совершил путешествие туда и обратно, проделав в космосе путь дальностью 450 млн км. Наконец, была проверена возможность принимать оптический сигнал с «Психеи» одновременно двумя станциями (на два далеко разнесённых телескопа). Такая возможность может поднять скорость передачи данных (за счёт снижения уровня ошибок, надо полагать), а также обеспечит канал связи, даже если над одной из станций приёма будет облачно, что для лазера станет непробиваемой стеной.

На днях межпланетная автоматическая станция NASA «Психея» (Psyche) установила лазерную связь с наземным центром управления. Это произошло при удалении на 16 млн км или примерно в 40 раз дальше, чем Луна отстоит от Земли. Для радиосвязи это детская забава, однако для оптического канала всё очень и очень сложно. Но зато лазер позволит значительно увеличить плотность передачи данных, что важно для передачи научной информации.

Блок лазерной связи на борту «Психеи». Источник изображения: NASA/Ben Smegelsky

Сама по себе лазерная связь не является чем-то новым даже в космосе. Сейчас, например, NASA проводит серию экспериментов по развёртыванию рабочего 1,2-Гбит/с лазерного канала связи с МКС. Другое дело — лазерная связь с глубоким космосом. «Это всё равно, как при помощи лазерной указки можно было бы проследить за движущимся десятицентовиком с расстояния в милю, так и при наведении лазерного луча на миллионы миль требуется чрезвычайно точное "наведение"», — прокомментировали в агентстве установление первого оптического сеанса связи с «Психеей».

Модуль «Оптическая связь в глубоком космосе» (Deep Space Optical Communications или DSOC) установлен на станцию «Психея» в рамках побочного эксперимента в основной миссии аппарата по изучению одноимённого зародыша планеты. По оптическому каналу DSOC в ближнем инфракрасном диапазоне никакие научные данные передаваться не будут. Задача проекта — доказать возможность передавать данные лазерным лучом на большие расстояния. В частности, оборудование на «Психее» должно бить на расстояние до 390 млн км, что примерно в два раза дальше, чем от Земли до Солнца. От лазерного канала ожидают скорости передачи до 264 Мбит/с.

В ходе первого сеанса лазерной связи 14 ноября бортовая оптика «Психеи» поймала сигнал маяка с площадки NASA на Столовой горе в районе Райтвуда (Калифорния). Маяк помог приемопередатчику станции навести свой лазер на объект, расположенный примерно в 130 км к югу от Столовой горы. Тонкой настройкой занимались автоматические системы. Станция смогла передать короткое сообщение и принять другое с Земли. Об установлении надёжного канала связи речь пока не идёт — это всё впереди.

Если лазерная связь станет реальностью, то это поднимет скорость передачи данных на порядок или два порядка. Сложность научного оборудования на космических зондах растёт с каждым годом и радиоканалы уже не справляются с передачей всей собранной информации, а бортовые хранилища — не резиновые. В конце концов, обществу нужны красивые «фоточки» с мест разведки, а это гигабайты одной только визуальной информации.

Сообщается, что 5 ноября во время очередной доставки грузов на Международную космическую станцию туда будет доставлен комплекс лазерной связи ILLUMA-T. С его помощью будет организован двухсторонний оптический канал через систему ретрансляторов с наземными станциями в США. По-сути — это эксперимент. По факту американский экипаж получит связь с Землёй на скорости до 1,2 Гбит/с.

Источник изображения: NASA

Сегодня обмен данных станции с Землёй осуществляется по радиоканалам через систему спутников-ретрансляторов. В диапазоне S скорость приёма данных наземной станцией достигает 6 Мбит/с. В диапазонах Ku и Ka скорость приёма поднимается до 800 Мбит/с. Переход на лазерные каналы передачи значительно увеличат скорость обмена данными, что важно для проведения всё более сложных научных экспериментов на МКС.

NASA стремится поднять скорость обмена данными не только с орбитальными аппаратами. Более скоростные каналы связи потребуются при освоении Луны и во время полётов к Марсу. Поэтому лазерные блоки связи полетят к Луне в миссии Artemis II на корабле «Орион» (Optical Communications System, O2O) и уже полетели в пояс астероидов на автоматической станции «Психея» (Deep Space Optical Communications, DSOC).

Ретрансляцией лазерных сигналов будет заниматься специально запущенный для этих целей на геосинхронную орбиту спутник-ретранслятор LCRD (Laser Communications Relay Demonstration). Он будет принимать сигналы с МКС и передавать их на наземную станцию на Гавайях. Дальше данные будут передаваться в Центр управления полетами в Нью-Мексико, а оттуда группе наземных операций в Центре космических полетов НАСА им. Годдарда в Гринбелте, штат Мэриленд. Специалистам последнего поставлена задача всесторонне оценить качество лазерной связи и перспективы её использования.

Американское аэрокосмическое агентство NASA отправит в космос лазерный приёмопередатчик ближнего инфракрасного диапазона для тестирования системы, которую однажды можно будет использовать для связи с астронавтами на Марсе.

Зонд Psyche в сборочном цехе. Источник изображений: NASA/JPL-Caltech

Необходимое оборудование системы Deep Space Optical Communications (DSOC) планируется отправить вместе с автоматической межпланетной станцией Psyche, предназначенной для изучения астероида «Психея». Запуск космического аппарата запланирован на 5 октября. Полёт к астероиду диаметром 225 км, находящемуся в поясе астероидов между орбитами Марса и Юпитера и состоящему в основном из железа и никеля, займёт около двух лет. В это время оборудование DSOC будет тестироваться для связи с двумя наземными станциями, расположенными в Южной Калифорнии.

В NASA считают, что лазеры DSOC ближнего инфракрасного диапазона могут от 10 до 100 раз превзойти эффективность передачи данных по сравнению с самыми передовыми радиосистемами, использующимися сегодня в космосе. Возможность обеспечения широкополосной лазерной связи в космосе была доказана для околоземной орбиты и в рамках коммуникации со спутниками на орбите Луны, но дальний космос ставит новые задачи в этом вопросе.

Марсоход Perseverance, находящийся на поверхности Красной планеты, может связываться с орбитальными аппаратами со скоростью 2 Мбит/с. Орбитальный марсианский зонд Reconnaissance Orbiter в свою очередь может передавать данные на Землю со скоростью от 0,5 до 4 Мбит/с. Повышение этих скоростей с помощью лазеров в 10–100 раз имеет очевидное преимущество, даже с учётом того факта, что предел скорости света не позволяет организовать синхронную связь между Землёй и Марсом.

Система DSOC использует свет ближнего инфракрасного диапазона, способный нести больше информации по сравнению с радиоволнами, что позволяет наземным станциям одновременно получать больше данных. Аппараты, находящиеся в дальнем космосе, с помощью такой системы коммуникации смогут отправлять на Землю более подробные изображения или даже видео, снятые с их камер.

Телескоп Хейла в Паломарской обсерватории Калифорнийского технологического института в округе Сан-Диего, Калифорния

Для получения команд приёмопередатчик DSOC будет использовать камеру зонда, прикреплённую к телескопу с апертурой 22 см, для автоматического сканирования и захвата восходящей линии связи лазера ближнего инфракрасного диапазона, передаваемого из лаборатории NASA Optical Communication Telescope Laboratory в Райтвуде, Калифорния. Он также будет передавать данные на 5,1-метровый телескоп Хейла в Паломарской обсерватории Калифорнийского технологического института в округе Сан-Диего, Калифорния, расположенного примерно в 130 километрах от OCTL.

Лаборатории NASA Optical Communication Telescope Laboratory в Райтвуде, Калифорния

Для погашения любых шумов в сигнале детектор фотонов, использующийся в телескопе Хейла, охлаждается криогенно. Благодаря этому он сможет эффективнее обнаруживать лазерные передачи от DSOC. По мере удаления аппарата Psyche от Земли и его приближения к астероиду «Психея» время, необходимое для отправки и получения сигналов от DSOC, будет постепенно увеличиваться. Ожидается, что максимальное расстояние, на котором будет проводиться передача данных с помощью системы DSOC, составит более 300 млн км.

Чтобы гарантировать улавливание лазерным приёмопередатчиком DSOC восходящего сигнала связи с Земли инженеры оснастили космический аппарат Psyche специальными распорками, которые надёжно удерживают его телескоп на месте, предотвращая воздействие на него вибраций.

«Каждый компонент DSOC представляет собой новую технологию — от мощных лазеров восходящей линии связи до системы наведения приёмопередатчика телескопа и чрезвычайно чувствительных сенсоров, которые могут улавливать отдельные фотоны. Команде проекта даже пришлось разработать новые методы обработки сигналов, чтобы иметь возможность максимально повысить эффективность получения информации из таких слабых сигналов, передаваемых на огромные расстояния», — прокомментировал руководитель проекта DSOC Билл Клипштейн (Bill Klipstein) из Лаборатории реактивного движения.