NASA 激光通信的未来

LCRD 将数据从国际空间站的 ILLUMA-T 中继到地球上的地面站的图示。 图片来源:美国宇航局戈达德太空飞行中心/戴夫瑞恩

NASA 使用激光向地球发送信息和从地球发送信息,使用不可见光束穿越天空,发送数 TB 的数据(图片和视频)以增加我们对宇宙的了解。 这种能力被称为激光或光学通信,尽管这些对眼睛安全的红外光束不能被人眼看到。

“我们对激光通信将在未来几年提供的承诺感到兴奋,”华盛顿 NASA 总部空间通信和导航 (SCaN) 副副署长兼项目经理巴德里·尤尼斯 (Badri Younes) 说。 “这些任务和演示开启了美国宇航局新的光之十年,在此期间,美国宇航局将与其他政府机构和商业部门合作,大幅扩展未来的太空探索通信能力,并创造充满活力和强劲的经济机会。”

激光通信系统为任务提供更高的数据速率,这意味着与传统无线电波相比,它们可以在一次传输中发送和接收更多信息。 此外,这些系统更轻、更灵活、更安全。 激光通信可以补充当今大多数 NASA 任务使用的射频通信。

激光通信中继演示 (LCRD)

2021 年 12 月 7 日,激光通信中继演示 (LCRD) 发射到距离地球约 22,000 英里的轨道,以测试激光通信的能力。 LCRD 是该机构首次展示双向激光中继系统的技术。 现在 LCRD 在轨道上,美国宇航局的激光通信进展仍在继续。

LCRD 实验者计划

2022 年 5 月,NASA 证明 LCRD 已准备好进行实验。 这些实验是测试和改进激光系统——任务的总体目标。 NASA、其他政府机构、学术界和工业界提供的实验正在测量大气对激光通信信号的长期影响; 评估该技术对未来任务的适用性; 并测试在轨激光中继能力。

美国宇航局戈达德太空飞行 LCRD 实验项目负责人 Rick Butler 说:“我们将几乎立即开始收到一些实验结果,而另一些则是长期的,需要时间在 LCRD 的两年实验期间出现趋势。”位于马里兰州格林贝尔特的中心。 “LCRD 将回答航空航天业关于激光通信作为高带宽应用的操作选项的问题。”


通过激光链路将 TBIRD 下行链路数据连接到加利福尼亚州光学地面站 1 的图示。 图片来源:美国宇航局戈达德太空飞行中心/戴夫瑞恩

“该计划仍在寻找新的实验,任何有兴趣的人都应该联系,”巴特勒说。 “我们正在利用激光通信社区,这些实验将展示光学将怎样为国际组织、工业和学术界工作。”

NASA 将继续接受新实验的建议,以帮助改进光学技术、增加知识并确定未来的应用。

LCRD 甚至会在发布后不久以与 NASA 社交媒体账户共享的新年决议的形式传递公众提交的数据。 这些决议将从加利福尼亚的一个地面站传输,并通过 LCRD 转发到位于夏威夷的另一个地面站,作为 LCRD 能力的又一次展示。

太字节红外传输 (TBIRD)

最近在 LCRD 之后,作为探路者技术演示器 3 (PTD-3) 任务的一部分,TeraByte InfraRed Delivery (TBIRD) 有效载荷于 2022 年 5 月 25 日从 SpaceX 的 Transporter-5 拼车任务的卡纳维拉尔角太空部队站发射。 TBIRD 将展示每秒 200 吉比特的数据下行链路——NASA 有史以来最高的光传输速率。

TBIRD 通过展示激光通信对捕获重要数据和大型详细图像的近地科学任务可能带来的好处,继续推进 NASA 的光通信注入。 TBIRD 一次性发送回数 TB 的数据,展示了更高带宽的好处,并让 NASA 更深入地了解小型卫星上激光通信的能力。 TBIRD 是纸巾盒那么大!

TBIRD 项目经理 Beth Keer 说:“过去,我们围绕着我们可以从太空返回或从太空返回地球的数据量来设计我们的仪器和航天器。” “通过光通信,我们将它从水中吹出来,就我们可以带回的数据量而言。这确实是一种改变游戏规则的能力。”

下一步:NASA 激光通信的未来
NASA 的激光通信任务时间表。 图片来源:美国宇航局戈达德太空飞行中心/戴夫瑞恩

集成 LCRD 低地球轨道用户调制解调器和放大器终端 (ILLUMA-T)

集成的 LCRD 低地球轨道用户调制解调器和放大器终端 (ILLUMA-T) 将于 2023 年初在 SpaceX 的第 27 次国际空间站商业补给服务任务的龙干线中发射,将为轨道实验室带来激光通信,并赋予宇航员生活能力并使用增强的数据功能在那里工作。

ILLUMA-T 将从空间站上的实验收集信息,并以每秒 1.2 吉比特的速度将数据发送到 LCRD。 按照这个速度,一部长篇电影可以在一分钟内下载完毕。 然后,LCRD 会将这些信息转发到夏威夷或加利福尼亚的地面站。

美国宇航局戈达德公司 ILLUMA-T 项目经理 Chetan Sayal 说:“ILLUMA-T 和 LCRD 将共同成为第一个展示低地球轨道到地球同步轨道到地面通信链路的激光系统。”

Orion Artemis II 光通信系统 (O2O)

Orion Artemis II 光通信系统 (O2O) 将在 Artemis II 任务期间将激光通信带到美国宇航局猎户座宇宙飞船上的月球。 当宇航员 50 多年来首次返回月球区域时,O2O 将能够传输高分辨率图像和视频。 Artemis II 将是第一个展示激光通信技术的载人月球飞行,以高达每秒 260 兆比特的下行链路速率向地球发送数据。

O2O 项目经理 Steve Horowitz 说:“通过将新的激光通信技术注入到 Artemis 任务中,我们使我们的宇航员能够获得比以往更多的数据。” “数据速率越高,我们的仪器可以向地球发送的信息就越多,我们的月球探险者可以执行的科学就越多。”

美国宇航局的激光通信努力也延伸到了深空。 目前,美国宇航局正在开发一种未来的终端,该终端可以测试激光通信以应对极端距离和具有挑战性的指向限制。

无论是将激光通信带入近地任务、月球还是深空,光学系统的注入都将成为未来 NASA 任务不可或缺的一部分。 激光通信的更高数据速率将使探索和科学任务能够将更多数据发送回地球并发现更多关于宇宙的信息。 NASA 将能够利用图像、视频和实验中的信息,不仅探索近地地区,还为未来的火星及其他任务做准备。