Die NASA empfängt Laserkommunikation aus einer Entfernung von über 140 Millionen Meilen

NASADas „Deep Space Optical Communications“-Experiment war zum ersten Mal auch mit dem Kommunikationssystem der Raumsonde Psyche verbunden und übertrug technische Daten zur Erde.

An Bord der NASA-Raumsonde Psyche bricht die Demonstration der Deep Space Optical Communications-Technologie der Agentur weiterhin Rekorde. Während die Raumsonde, die an einen Asteroiden fliegt, nicht auf optische Kommunikation angewiesen ist, um Daten zu senden, hat die neue Technologie bewiesen, dass sie dieser Aufgabe gewachsen ist. Nach der Verbindung mit dem Hochfrequenzsender der Psyche sendete die Laserkommunikationsdemonstration eine Kopie technischer Daten aus einer Entfernung von über 140 Millionen Meilen (226 Millionen Kilometern), dem Anderthalbfachen der Entfernung zwischen Erde und Sonne.

Diese Errungenschaft gibt einen Einblick, wie Raumfahrzeuge in Zukunft optische Kommunikation nutzen könnten, um die Kommunikation komplexer wissenschaftlicher Informationen mit höheren Datenraten sowie hochauflösende Bilder und Videos zu ermöglichen, um den nächsten großen Sprung der Menschheit zu unterstützen: die Entsendung von Menschen Mars.

Diese Visualisierung zeigt die Position der Raumsonde Psyche am 8. April, als der DSOC-Fluglaser-Transceiver Daten mit einer Geschwindigkeit von 25 Mbit/s über 140 Millionen Meilen an eine Downlink-Station auf der Erde übermittelte. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech

„Wir haben während eines Vorbeiflugs am 8. April etwa zehn Minuten duplizierter Raumfahrzeugdaten heruntergeladen“, sagte Meera Srinivasan, Betriebsleiterin des Projekts am Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien. „Bis dahin hatten wir Test- und Diagnosedaten in unseren Downlinks von Psyche gesendet. Dies stellt einen bedeutenden Meilenstein für das Projekt dar, da es zeigt, wie optische Kommunikation mit dem Hochfrequenzkommunikationssystem eines Raumfahrzeugs verbunden werden kann.“

Die Laserkommunikationstechnologie in dieser Demo 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 dem Start am 13. Oktober 2023 bleibt die Raumsonde gesund und stabil auf ihrer Reise zum Hauptasteroidengürtel zwischen Mars und Mars Jupiter um den Asteroiden Psyche zu besuchen.

Erwartungen übertreffen

Die Demonstration der optischen Kommunikation der NASA hat gezeigt, 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.

Dies gelang am 11. Dezember 2023, als das Experiment ein 15 Sekunden langes, ultrahochauflösendes Video aus einer Entfernung von 19 Millionen Meilen (31 Millionen Kilometer oder etwa das 80-fache der Erde-Mond-Entfernung) zur Erde strahlte. Das Video wurde zusammen mit anderen Testdaten, einschließlich digitaler Versionen des Psyche Inspired-Kunstwerks der Arizona State University, vor dem Start von Psyche letztes Jahr auf den Fluglaser-Transceiver (siehe Bild unten) geladen.

Der Fluglaser-Transceiver der Deep Space Optical Communications (DSOC)-Technologiedemonstration wird im April 2021 im Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien gezeigt, bevor er in seinem kastenförmigen Gehäuse installiert wird, das später in die Raumsonde Psyche der NASA integriert wurde. Der Transceiver besteht aus einem Nahinfrarot-Lasersender, der Hochgeschwindigkeitsdaten zur Erde sendet, und einer empfindlichen Photonenzählkamera, um vom Boden übertragene Niedriggeschwindigkeitsdaten zu empfangen. Der Transceiver ist auf einer Baugruppe aus Streben und Aktuatoren montiert (siehe Foto), die die Optik vor Vibrationen des Raumfahrzeugs stabilisiert. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech

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 die Raumsonde Testdaten mit einer maximalen Rate von 25 Mbit/s, was das Ziel des Projekts, nachzuweisen, dass in dieser Entfernung mindestens 1 Mbit/s möglich war, bei weitem übertrifft.

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 einen Teil derselben Daten an das Hale-Teleskop am Palomar-Observatorium des Caltech im San Diego County, Kalifornien – das Hauptzentrum der Tech-Demo Downlink-Bodenstation.

„Nachdem wir die Daten vom DSN und Palomar erhalten hatten, überprüften wir die optisch übertragenen Daten unter JPL„, sagte Ken Andrews, Leiter des Projektflugbetriebs bei JPL. „Es handelte sich um eine kleine Datenmenge, die über einen kurzen Zeitraum übertragen wurde, aber die Tatsache, dass wir dies jetzt tun, hat alle unsere Erwartungen übertroffen.“

Spaß mit Lasern

Nach dem Start von Psyche wurde die optische Kommunikationsdemo zunächst zum Downlink vorinstallierter Daten verwendet, darunter das Katzenvideo von Taters. Seitdem hat das Projekt bewiesen, dass der Transceiver Daten vom Hochleistungs-Uplink-Laser am JPL-Standort Table Mountain in der Nähe von Wrightwood, Kalifornien, empfangen kann. Daten können sogar noch in derselben Nacht an den Transceiver gesendet und dann zurück zur Erde übertragen werden, wie das Projekt kürzlich in einem „Turnaround-Experiment“ bewiesen hat.

Dieses Experiment leitete Testdaten – sowie digitale Haustierfotos – an Psyche und zurück, eine Hin- und Rückreise von bis zu 280 Millionen Meilen (450 Millionen Kilometer). Außerdem wurden große Mengen der technischen Daten der Tech-Demo per Downlink übertragen, 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 den Betrieb sowohl am Tafelberg als auch am Palomar gelegentlich unterbrochen haben“, sagte Ryan Rogalin, Leiter der Empfängerelektronik des Projekts am JPL. (Während die Hochfrequenzkommunikation bei den meisten Wetterbedingungen funktioniert, erfordert die optische Kommunikation einen relativ klaren Himmel, um Daten mit hoher Bandbreite zu übertragen.)

Die Deep Space Station 13 im Goldstone-Komplex der NASA in Kalifornien – Teil des Deep Space Network der Agentur – ist eine experimentelle Antenne, die mit einem optischen Terminal nachgerüstet wurde. Zum ersten Mal empfing dieser Konzeptnachweis gleichzeitig Hochfrequenz- und Lasersignale aus dem Weltraum. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech

JPL leitete kürzlich ein Experiment, bei dem Palomar, die experimentelle optische Hochfrequenzantenne im Goldstone Deep Space Communications Complex des DSN in Barstow, Kalifornien, und ein Detektor am Tafelberg kombiniert wurden, um dasselbe Signal gemeinsam zu empfangen. Das „Anordnen“ mehrerer Bodenstationen zur Nachahmung eines großen Empfängers kann dazu beitragen, das Weltraumsignal zu verstärken. Diese Strategie kann auch nützlich sein, wenn eine Bodenstation aufgrund der Wetterbedingungen offline gehen muss; Andere Sender können das Signal weiterhin empfangen.

Mehr über die Mission

Diese vom JPL geleitete Demonstration ist die jüngste in einer Reihe optischer Kommunikationsexperimente, die durch das Programm „Technology Demonstration Missions“ (TDM) des Space Technology Mission Directorate der NASA und das SCaN-Programm (Space Communications and Navigation) der Agentur innerhalb des Space Operations Mission Directorate finanziert werden. Die Entwicklung des Fluglaser-Transceivers wird unterstützt von MIT Lincoln Laboratory, L3 Harris, CACI, First Mode und Controlled Dynamics Inc. sowie Fibertek, Coherent und Dotfast unterstützen die Bodensysteme. Ein Teil der Technologie wurde im Rahmen des Small Business Innovation Research-Programms der NASA entwickelt.

Die Arizona State University leitet die Psyche-Mission. JPL ist für das Gesamtmanagement, die Systemtechnik, die Integration und Tests sowie den Missionsbetrieb der Mission verantwortlich. Psyche ist die 14. Mission, die im Rahmen des Discovery-Programms der NASA unter der Leitung des Science Mission Directorate ausgewählt wurde und vom Marshall Space Flight Center der Agentur in Huntsville, Alabama, verwaltet wird. Das Launch Services Program der NASA mit Sitz im Kennedy Space Center der Agentur in Florida verwaltete den Startdienst. Maxar Technologies lieferte das hochleistungsfähige solarelektrische Antriebschassis für Raumfahrzeuge aus Palo Alto, Kalifornien.