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NASA的激光通信中继演示:你需要知道的6件事

江苏激光联盟导读:

来自美国宇航局Goddard 太空飞行中心的Katherine Schauer。

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美国宇航局的激光通信中继演示通信在激光链路。图片来源: NASA's Goddard Space Flight Center

美国NASA激光通信中继演示(LCRD)将使用激光通信系统将数据从太空传输到地球。以下是关于NASA革命性的LCRD任务你需要知道的六件事。

1.激光通信将改变美国宇航局(NASA)从太空获取信息的方式

自太空探索之初,美国宇航局就使用无线电频率系统与宇航员和宇宙飞船联系。然而,随着空间任务产生和收集更多的数据,对加强通信能力的需求也在增加。LCRD利用激光通信的能量,激光通信使用红外光而不是无线电波,对地球和地球之间的信息进行编码和传输。

无线电波和激光红外光都是电磁辐射的形式,其波长在光谱上的不同点。任务将他们的科学数据编码到电磁信号中,然后发送回地球。

用于激光通信的红外光不同于无线电波,因为它的频率要高得多,这使得工程师可以在每次传输中打包更多的数据。更多的数据会同时产生更多关于太空的信息和发现。

利用红外激光,LCRD将从地球同步轨道以1.2千兆每秒(Gbps)的速度向地球发送数据。在这样的速度和距离下,你可以在一分钟内下载一部电影。

来源: Pixabay/CC0 Public Domain

2. 激光通信将使航天器通过单一下行链路发送更多数据

如果你生活在80年代末90年代初,你会记得地面网络的拨号速度——缓慢而痛苦。在航天器上增加激光通信类似于人类使用光纤网络等技术的高速互联网:革命性的。

同样的概念——除去光缆——也被应用于空间激光通信,这使得航天器能够通过激光链路发送高分辨率的图像和视频。

随着激光通信的到位,航天器可以在一次下载中发送回更多的数据。美国国家航空航天局和航空航天工业正在利用这些新发展,并创建更多的任务,使用激光补充无线电频率卫星。

如今,我们的家庭网络连接使得高清视频、节目和内容几乎可以瞬间到达屏幕。这在一定程度上是由于光纤连接通过塑料或玻璃电缆发送密集数据的激光,创造了更快的用户体验。

3.有效载荷有两个光学模块或望远镜,用于接收和发射激光信号

无线电波和光波来源:NASA

LCRD是一种中继卫星,具有许多高度敏感的组件,提供更多的通信。作为中继,LCRD消除了用户任务与地球上天线的直接视线的需要。LCRD有两个光学终端——一个终端接收来自用户航天器的数据,而另一个终端将数据传输到地球上的地面站。

LCRD的调制解调器将数字数据转换成激光信号,然后通过中继的光模块通过人眼看不见的编码光束进行传输。LCRD既可以发送数据,也可以接收数据,为往返太空的任务数据创建了一条连续的路径。这些能力使LCRD成为NASA的第一个双向端到端光学中继。

这些只是组成LCRD有效载荷的一些组件,所有这些都是一个大床垫的大小。

4. LCRD依赖于加利福尼亚和夏威夷的两个地面站

一旦LCRD接收到信息并对其进行编码,有效载荷就会将数据发送到地球上的地面站,每个地面站都配备了接收光线的望远镜和调制解调器,将编码后的光线转换回数字数据。

LCRD的地面站被称为光学地面站(OGS) -1和-2,分别位于南加州的桌山和夏威夷毛伊岛的Haleakalā火山上。

LCRD从空间站向地球传输数据来源:NASA/Dave Ryan

虽然激光通信可以提供更高的数据传输速率,但大气干扰——如云和湍流——会干扰激光信号在地球大气中的传播。

OGS-1和OSG-2的位置是根据其晴朗的天气条件和偏远的高海拔位置选择的。这些地区的大部分天气都发生在山顶以下,因此相对晴朗的天空非常适合激光通信。

5. LCRD允许政府、学术界和商业伙伴从地球同步轨道测试激光能力

LCRD将证明来自地球同步轨道的激光通信系统的可行性,该轨道距离地球表面约2.2万英里。

在支助其他特派团之前,LCRD将用两年时间进行测试和实验。在此期间,OGS-1和OGS-2将作为“任务”,将数据从一个站点发送到LCRD,然后向下发送到另一个站点。

LCRD将通过NASA、其他政府机构、学术界和商业公司的实验来测试激光的功能。其中一些实验包括研究大气对激光信号的干扰,并演示可靠的中继服务操作。

美国宇航局的激光通信任务来源:NASA/Dave Ryan

这些测试将使航空航天界能够从LCRD中学习,并进一步改进技术以供今后实施。美国国家航空航天局正在提供这些机会来发展激光通信的知识体系,并促进其实际应用。

实验阶段结束后,LCRD将支持太空任务,包括将安装在国际空间站上的光学终端。该终端将收集船上科学实验的数据,然后将信息发送给LCRD,再转发给地球。

6. LCRD是众多令人兴奋和即将到来的激光任务之一

LCRD是NASA的第一个激光通信中继系统。然而,有许多正在开发的任务将演示和测试额外的激光通信能力。

太字节红外传输(TBIRD)立方体卫星的有效载荷将演示激光下行速度为200gbps,这是激光通信数据速率的新记录。

LCRD的第一个用户将是空间站上的集成LCRD近地轨道用户调制解调器和放大器终端(ILLUMA-T)。ILLUMA-T将为轨道实验室提供1.2 Gbps的数据速率,以便将正在进行的实验的高分辨率图像和视频传输到地球上。

猎户座阿耳特米斯II型光通信系统(O2O)终端将通过红外光在地球和阿耳特米斯II型绕月宇航员之间提供超高清视频传输。

2026年,普赛克任务将到达它的目的地——一颗距离地球1.5亿英里的小行星。普赛克将携带深空光通信(DSOC)有效载荷,以测试激光通信应对深空探测带来的独特挑战。

所有这些任务都将帮助航空航天界将激光通信标准化,以便在未来的任务中实施。有了激光的照耀,NASA可以从太空收集到比以往更多的信息。

来源:NASA'sGoddard Space Flight Center

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