Die NASA-Demonstration zur optischen Kommunikation im Weltraum überträgt Daten über 140 Millionen Meilen

An Bord der NASA-Raumsonde Psyche bricht die Demonstration der optischen Kommunikationstechnologie im Weltraum weiterhin Rekorde. Obwohl die Raumsonde, die an einen Asteroiden fliegt, zum Senden von Daten nicht auf optische Kommunikation angewiesen ist, hat die neue Technologie bewiesen, dass sie dieser Aufgabe gewachsen ist. Nach der Verbindung mit dem Hochfrequenzsender von Psyche sendete die Laserkommunikationsdemonstration eine Kopie der technischen Daten über mehr als 140 Millionen Meilen (226 Millionen Kilometer) oder das 1,5-fache der Entfernung zwischen Erde und Sonne.

Diese Errungenschaft gibt Aufschluss darüber, wie Raumschiffe in Zukunft optische Kommunikation nutzen könnten, um eine schnellere Kommunikation komplexer wissenschaftlicher Informationen sowie hochauflösende Bilder und Videos zu ermöglichen, um den nächsten Schritt der Menschheit zu unterstützen: die Entsendung von Menschen zum Mars.

„Wir haben während eines Vorbeiflugs am 8. April etwa zehn Minuten doppelte Daten von der Raumsonde übertragen“, sagte Meera Srinivasan, Projektbetriebsleiterin am Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien. „Bisher haben wir Test- und Diagnosedaten über unsere Downlinks von Psyche gesendet. Dies stellt einen wichtigen Meilenstein für das Projekt dar, da es zeigt, wie optische Kommunikation mit dem Hochfrequenzkommunikationssystemraum eines Schiffes verbunden werden kann.“

Die in dieser Demonstration vorgestellte Laserkommunikationstechnologie ist darauf ausgelegt, Daten aus dem Weltraum mit Geschwindigkeiten zu übertragen, die 10 bis 100 Mal schneller sind als die hochmodernen Hochfrequenzsysteme, die heute bei Weltraummissionen eingesetzt werden.

Nach ihrem Start am 13. Oktober 2023 bleibt die Raumsonde gesund und stabil, während sie sich auf den Weg zum Hauptasteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter macht, um den Asteroiden Psyche zu besuchen.

Erwartungen übertreffen

Die Demonstration der optischen Kommunikation der NASA zeigte, dass sie Testdaten mit einer maximalen Rate von 267 Megabit pro Sekunde (Mbps) vom Nahinfrarot-Downlink-Laser des Fluglaser-Transceivers übertragen kann, eine Bitrate, die mit der Download-Geschwindigkeit von Breitband-Internet vergleichbar ist.

Dieses Ziel wurde am 11. Dezember 2023 erreicht, als das Experiment ein 15-sekündiges Ultra-High-Definition-Video aus einer Entfernung von 19 Millionen Meilen (31 Millionen Kilometer oder etwa das 80-fache der Erde-Mond-Entfernung) zur Erde übertrug. . Das Video wurde zusammen mit anderen Testdaten, darunter digitale Versionen des von Psyche inspirierten Kunstwerks der Arizona State University, vor dem Start von Psyche letztes Jahr auf den Laser-Transceiver des Fluges geladen.

Da die Raumsonde nun mehr als siebenmal weiter entfernt ist, verringert sich erwartungsgemäß die Geschwindigkeit, mit der sie Daten senden und empfangen kann. Während des Tests am 8. April übermittelte das Raumschiff Testdaten mit einer maximalen Rate von 25 Mbit/s und übertraf damit das Ziel des Projekts, zu beweisen, dass in dieser Entfernung mindestens 1 Mbit/s möglich war, bei weitem.

Das Projektteam befahl dem Transceiver außerdem, die von Psyche erzeugten Daten optisch zu übertragen. Während Psyche Daten über seinen Hochfrequenzkanal an das Deep Space Network (DSN) der NASA übermittelte, übermittelte das optische Kommunikationssystem gleichzeitig einige dieser Daten an das Hale-Teleskop am Palomar-Observatorium des Caltech im San Diego County in Kalifornien – das Hauptaugenmerk der Technologiedemonstration. Downlink-Bodenstation.

„Nachdem wir die Daten vom DSN und Palomar erhalten hatten, überprüften wir die optischen Sinkflugdaten am JPL“, sagte Ken Andrews, Projektflugbetriebsleiter am JPL. „Es handelte sich um eine kleine Datenmenge, die in kurzer Zeit übertragen wurde, aber die Tatsache, dass wir dies jetzt tun, hat alle unsere Erwartungen übertroffen.“

Viel Spaß mit Lasern

Nach dem Start von Psyche wurde die optische Kommunikationsdemo zunächst dazu verwendet, vorinstallierte Daten zu verknüpfen, darunter das Video „Taters the Cat“. Seitdem hat das Projekt bewiesen, dass der Transceiver Daten vom Hochleistungs-Uplink-Laser empfangen kann, der sich in der Table Mountain-Anlage des JPL in der Nähe von Wrightwood, Kalifornien, befindet. Daten können sogar an den Transceiver gesendet und dann noch in derselben Nacht zur Erde zurückgesendet werden, wie das Projekt kürzlich in einem „Aufrichtungsexperiment“ bewies.

Dieses Experiment übertrug Testdaten sowie digitale Fotos von Haustieren nach Psyche und zurück, eine Hin- und Rückstrecke von bis zu 280 Millionen Meilen (450 Millionen Kilometer). Außerdem wurden große Mengen technischer Daten aus der Technologiedemonstration übermittelt, um die Eigenschaften der optischen Kommunikationsverbindung zu untersuchen.

„Wir haben viel darüber gelernt, wie weit wir das System bei klarem Himmel ausbauen können, obwohl Stürme gelegentlich den Betrieb am Tafelberg und in Palomar unterbrochen haben“, sagte Ryan Rogalin, der Elektronikmanager des Projektempfängers am JPL. (Während die Funkfrequenzkommunikation bei den meisten Wetterbedingungen funktioniert, erfordert die optische Kommunikation einen relativ klaren Himmel, um Daten mit hoher Bandbreite zu übertragen.)

JPL führte kürzlich ein Experiment durch, um Palomar, die experimentelle optische Hochfrequenzantenne im Goldstone Deep Space-Kommunikationskomplex von DSN in Barstow, Kalifornien, und einen Detektor am Tafelberg zu kombinieren, um dasselbe Signal gemeinsam zu empfangen. Die „Verteilung“ mehrerer Bodenstationen zur Nachahmung eines großen Empfängers kann zur Verstärkung des Weltraumsignals beitragen. Diese Strategie kann auch nützlich sein, wenn eine Bodenstation aufgrund der Wetterbedingungen offline geschaltet wird; Andere Sender können das Signal weiterhin empfangen.