[科普]关于NASA深空激光通信的5件事

NASA开创性的深空光学通信（DSOC）试验将是第一个从火星距离进行的激光或光学通信验证。该项目设备搭载在NASA探测金属小行星的Psyche飞行器上，于10月12日周四发射。DSOC将对未来从火星到地球更大量科学数据，甚至视频流传输的关键技术进行验证。

关于这项尖端技术的5件事

1、DSOC是NASA首次进行深空激光高速率输出传输测试

目前为止，NASA只能依靠无线电波来完成月球以外的宇航任务通信。与地面数据传输需求增长导致光纤替代了老式电话线类似，从无线电通信到光通信的升级将提升太阳系内数据传输的速率，相比如今最先进的通信系统也能提升10到100倍。这将帮助未来的载人和机械宇航探索任务，同时也能更好的支持高分辨率科学设备。

2、试验将在宇航飞行器和地面间展开

DSOC激光接收发射机搭载在Psyche宇航飞行器上进行试验，但Psyche本身仍依靠传统无线电通信来执行任务。这台激光接收发射机配备了一台用于向地球发射高速率数据的近红外激光发射机和一个接收来自地球激光束的灵敏光子计数相机。

同时，接收发射机只是技术演示验证的一部分。目前在地球上没有专用的深空光学通信基础设施，因此DSOC项目专门升级了两台地面望远镜，以便与激光接收发射机进行通信。项目团队将在NASA位于南加州的喷气实验室开展工作。喷气实验室位于加州Wrightwood附近的桌山（Table Mountain）天文台还配备了高功率近红外激光发射机。这台发射机将向DSOC激光接收发射机发射调制激光信号，作为信标给飞行设备提供参考，使发回地球的激光能够准确瞄准。

从接收发射机发来的信号将由加州理工大学位于圣地亚哥的帕洛马山天文台直径5.1米的Hale望远镜接收。该望远镜配备了特殊的超导高效探测阵列。

3、DSOC将遇到特殊的挑战

在Psyche飞行器飞往目标小行星带6年的前2年中，DSOC项目将尝试最远达3.9亿公里的高速率数据传输，这个距离是地球与太阳间距离的2倍。

Psyche飞行器飞的越远，激光信号就会变得越弱，解码数据的难度将大大增加。此外，光飞行的时间也较长，在验证最远距离时，时延将达到20分钟以上。由于地球和飞行器一直处于运动当中，DSOC地面和飞行系统都需要对此作出补偿，提前瞄准光束发射/抵达的位置。

4、采用了多项先进技术确保激光能够瞄准目标，以及接收来自深空的高速率数据。

飞行激光接收发射机和地面激光发射机需要以很高的精度瞄准。这就好比在一英里外击中一枚硬币，而硬币同时还在移动。因此，接收发射机需要隔离来自宇航飞行器的震动，否则激光就会偏离目标。Pshche飞行器首先将接收发射机对准地球，同时接收发射机上的自动系统在桌山上行激光信标的帮助下控制下行激光信号指向帕洛马山天文台。

Hale望远镜上安装了一台由喷气实验室研制的低温冷却超导纳米线光子计数阵列接收器。该仪器配备了高速电子设备，用以记录光子的到达时间，以对信号进行解码。DSOC团队甚至还开发了新型的信号处理技术以便从传播了数千到上亿公里的微弱激光信号中提取信息。

5、这是NASA最新的光通信项目

2013年，NASA的月球光通信验证项目创造了地月通信上行和下行数据速率记录；2021年，激光通信中继演示验证对地球静止轨道高速光学通信中继能力进行了测试，帮助宇航飞行器不再需要在地面视野内才能通信；去年，NASA的Tb级红外传输系统创造了低轨卫星和地面接收设备间数据传输速率的新纪录。

DSOC将光学通信带到深空，为月球以外的高速通信奠定基础，其通信距离将是目前所有光学通信系统的1000倍以上。如果成功，该技术将帮助实现视频流和高清图像的传播，为NASA将宇航员送上火星的重大突破提供支持。