حققت ناسا نقلًا تاريخيًا للبيانات من خلال تجربة الاتصالات البصرية في الفضاء العميق

حققت DSOC، وهي تجربة ستغير كيفية تواصل المركبات الفضائية، “الضوء الأول” لأول مرة، حيث ترسل البيانات من القمر وما بعده بالليزر.

قامت تجربة الاتصالات البصرية في الفضاء السحيق (DSOC) التابعة لوكالة ناسا بإرسال ليزر الأشعة تحت الحمراء الموسوم ببيانات الاختبار من تلسكوب هيل في بالومار التابع لمعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا من مسافة 10 ملايين ميل (16 مليون كيلومتر) تقريبًا – حوالي 40 ضعف المسافة من الأرض إلى القمر. مرصد في مقاطعة سان دييغو، كاليفورنيا. إنه العرض الأبعد للاتصال البصري.

ومن المقرر أن تقوم DSOC، على متن المركبة الفضائية Psych التي تم إطلاقها مؤخرًا، بنقل بيانات اختبار عالية التردد إلى الأرض خلال عرضها التكنولوجي الذي يستمر لمدة عامين. يوم الثلاثاء و يوم الخميس. ناسامختبر الدفع النفاث (جي بي ال_ يدير كلاً من DSOC وPsyche في جنوب كاليفورنيا.

تظهر المركبة الفضائية Psyche التابعة لناسا في غرفة نظيفة في مرفق العمليات الفضائية Astrotech بالقرب من مركز كينيدي للفضاء التابع للوكالة في فلوريدا في 8 ديسمبر 2022. يمكن رؤية جهاز الإرسال والاستقبال الليزري للطيران المطلي بالذهب الخاص بـ DSOC متصل بالمركبة الفضائية. حقوق الصورة: ناسا/بن سميجيلسكي

حققت Tech Demo “الضوء الأول” في ساعات الصباح الباكر من يوم 14 نوفمبر بعد أن تم تثبيت جهاز الإرسال والاستقبال الليزري الخاص بها – وهي أداة متطورة على النفس (انظر الصورة أدناه) قادرة على إرسال واستقبال إشارات الأشعة تحت الحمراء القريبة – على منارة ليزر قوية للوصلة الصاعدة. تم إرساله من مختبر تلسكوب الاتصالات البصرية في مرفق جبل تيبل التابع لمختبر الدفع النفاث بالقرب من رايتوود، كاليفورنيا. مكنت منارة الوصلة الصاعدة جهاز الإرسال والاستقبال من توجيه ليزر الوصلة الهابطة الخاص به إلى بالومار (100 ميل، أو 130 كيلومترًا، جنوب جبل تيبل).

تم عرض جهاز الإرسال والاستقبال الليزري التجريبي لتكنولوجيا الاتصالات البصرية في الفضاء العميق (DSOC) في مختبر الدفع النفاث التابع لناسا في جنوب كاليفورنيا في أبريل 2021، قبل تثبيته داخل غلافه الذي يشبه الصندوق ثم دمجه في مركبة الفضاء Psyche التابعة لناسا. يتكون جهاز الإرسال والاستقبال من جهاز إرسال ليزر يعمل بالأشعة تحت الحمراء القريبة لنقل البيانات عالية السرعة إلى الأرض وكاميرا حساسة لحساب الفوتون لتلقي البيانات منخفضة السرعة المرسلة من الأرض. تم تركيب جهاز الإرسال والاستقبال على مجموعة من الدعامات والمحركات – كما هو موضح في هذه الصورة – والتي تعمل على تثبيت البصريات من اهتزازات المركبة الفضائية. مصدر الصورة: ناسا/مختبر الدفع النفاث-معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا

“يعد تحقيق الضوء الأول في الأشهر المقبلة واحدًا من العديد من معالم DSOC المهمة في الأشهر المقبلة، لدعم القفزة العملاقة التالية للبشرية نحو اتصالات ذات معدل بيانات مرتفع قادرة على نقل المعلومات العلمية والصور عالية الوضوح وبث الفيديو: إرسال البشر إلى المريخوقالت ترودي كورتيس، مديرة الشروحات الفنية في مقر ناسا في واشنطن.

تم أيضًا إرسال بيانات الاختبار في وقت واحد عبر ليزر الوصلة الصاعدة والوصلة الهابطة، المعروف باسم “إغلاق الارتباط”، والذي كان الهدف الأساسي للاختبار. على الرغم من أن العرض الفني لا ينقل بيانات مهمة Psyche، إلا أن DSOC تعمل بشكل وثيق مع فريق دعم مهمة Psyche لضمان عدم تداخل العمليات مع عمليات المركبة الفضائية.

تعرف على المزيد حول كيفية استخدام DSOC لاختبار نقل البيانات ذات النطاق الترددي العالي خارج القمر لأول مرة – وكيف سيغير استكشاف الفضاء السحيق. مصدر الصورة: ناسا/مختبر الدفع النفاث-معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا/جامعة ولاية أريزونا

وقالت ميرا سرينيفاسان، رئيسة عمليات DSOC في JBL: “يتعين على فرق DSOC والعمليات النفسية العمل معًا”، مضيفة أن “اختبار صباح الثلاثاء دمج بشكل كامل الأصول الأرضية وجهاز الإرسال والاستقبال على متن الطائرة. لقد كان تحديًا هائلاً وما زلنا لدينا الكثير من العمل للقيام به، ولكن في الوقت الحالي، البعض قادر على إرسال البيانات واستقبالها وفك تشفيرها.”

قبل هذا العمل الفذ، كان المشروع يتطلب تحديد مربعات عند عدة مراحل رئيسية، بدءًا من إزالة الغطاء الواقي لجهاز إرسال واستقبال الليزر أثناء الطيران وحتى تشغيل الأداة. وفي الوقت نفسه، تجري المركبة الفضائية Psyche تجاربها الخاصة، بما في ذلك تحديث أنظمة الدفع وأدوات الاختبار الخاصة بها والتي سيتم استخدامها لدراسة كويكب Psyche عند وصوله هناك في عام 2028.

كان فريق عمليات الإرسال والاستقبال بالليزر التابع لوكالة ناسا للاتصالات البصرية في الفضاء السحيق (DSOC) يعمل في منطقة دعم المهمة النفسية في مختبر الدفع النفاث في ساعات الصباح الباكر من يوم 14 نوفمبر، عندما حقق البرنامج “الضوء الأول”. مصدر الصورة: ناسا/مختبر الدفع النفاث-معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا

الضوء الأول والأجزاء الأولى

ومع نجاح الحزمة الأولى، سيعمل فريق DSOC الآن على تحسين الأنظمة التي تتحكم في توجيه ليزر الوصلة الهابطة إلى جهاز الإرسال والاستقبال. بمجرد تحقيقه، يمكن للمشروع أن يبدأ مهمته للحفاظ على نقل البيانات ذات النطاق الترددي العالي من جهاز الإرسال والاستقبال إلى بالومار على مسافات مختلفة من الأرض. تأخذ هذه البيانات شكل البتات (أصغر وحدات البيانات التي يمكن لجهاز الكمبيوتر معالجتها) المشفرة في فوتونات الليزر – وهي جسيمات كمية من الضوء. بعد أن تقوم مجموعة كاشفات خاصة فائقة التوصيل وعالية الكفاءة (انظر الصورة أدناه) باكتشاف الفوتونات، يتم استخدام تقنيات معالجة الإشارات الجديدة لاستخراج البيانات من الفوتونات المفردة التي تصل إلى تلسكوب هيل.

تظهر هنا نسخة طبق الأصل من Deep Space Optical Communications، أو DSOC، وهو كاشف أحادي الفوتون فائق التوصيل متصل بتلسكوب هيل مقاس 200 بوصة (5.1 متر) الموجود في مختبر بالومار التابع لمعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا في مقاطعة سان دييغو، كاليفورنيا. تم تصميم الكاشف بواسطة مختبر الأجهزة الدقيقة في مختبر الدفع النفاث التابع لناسا في جنوب كاليفورنيا، لاستقبال إشارات الليزر تحت الحمراء من جهاز إرسال واستقبال الطيران DSOC الذي يسافر مع مهمة ناسا النفسية في الفضاء السحيق كجزء من الموجز الفني. مصدر الصورة: ناسا/مختبر الدفع النفاث-معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا

تهدف تجربة DSOC إلى إظهار معدلات نقل البيانات أعلى بـ 10 إلى 100 مرة من أنظمة الترددات الراديوية الأكثر تطوراً التي تستخدمها المركبات الفضائية اليوم. تستخدم كل من اتصالات الليزر الراديوية والأشعة تحت الحمراء القريبة الموجات الكهرومغناطيسية لنقل البيانات، لكن ضوء الأشعة تحت الحمراء القريبة يضغط البيانات إلى موجات أضيق بكثير، مما يمكّن المحطات الأرضية من استقبال المزيد من البيانات. وسوف تمكن من القيام بمهام استكشاف بشرية وروبوتية مستقبلية وستدعم الأدوات العلمية عالية الدقة.

وقال الدكتور جيسون ميتشل، مدير قسم الاتصالات المتقدمة وتقنيات الملاحة في ناسا في الاتصالات الفضائية والملاحة: “الاتصالات البصرية هي نعمة للعلماء والباحثين وستمكن البشر من استكشاف الفضاء السحيق”. مشروع (SCaN). “المزيد من البيانات يعني المزيد من الابتكار.”

على الرغم من أن الاتصالات البصرية قد تم إثباتها في مدار أرضي منخفض وخارج القمر، إلا أن DSOC هي أول تجربة في الفضاء السحيق. تمامًا مثل استخدام مؤشر الليزر لتتبع عملة معدنية متحركة من مسافة ميل واحد، فإن توجيه شعاع الليزر على مدى ملايين الأميال يتطلب “مؤشرًا” دقيقًا للغاية.

مشغلو جهاز إرسال الليزر الأرضي التابع لـ DSOC يقفون لالتقاط صورة في مرصد تلسكوب الاتصالات البصرية في منشأة Table Mountain التابعة لمختبر الدفع النفاث بالقرب من رايتوود، كاليفورنيا، بعد وقت قصير من تحقيق العرض التكنولوجي “الضوء الأول” في 14 نوفمبر. مصدر الصورة: ناسا/مختبر الدفع النفاث-معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا

يجب أن يعوض العرض التوضيحي أيضًا الوقت الذي يستغرقه الضوء ليقطع مسافة شاسعة من المركبة الفضائية إلى الأرض: على مسافة Psyche من كوكبنا، تستغرق أشعة DSOC للأشعة تحت الحمراء حوالي 20 دقيقة للعودة (استغرقت حوالي 50 دقيقة ثانية للسفر) من النفس إلى الأرض خلال تجربة 14 نوفمبر). خلال تلك الفترة، ستكون المركبة الفضائية والكوكب قد تحركا، لذلك يجب أن يتكيف ليزر الوصلة الصاعدة والوصلة الهابطة مع تغيير الموقع.

“إن تحقيق الضوء الأول يعد إنجازًا كبيرًا. قال أبهي بيسواس، تقني مشروع DSOC في JBL: “نجحت الأنظمة الأرضية في اكتشاف فوتونات ليزر في الفضاء السحيق من جهاز الإرسال والاستقبال الخاص بـ DSOC على متن الطائرة على Psyche”. “وتمكنا من إرسال بعض البيانات، أي تبادل” أجزاء من الضوء “من الفضاء السحيق وإلى الفضاء السحيق.”

المزيد عن المهمة

DSOC هي الأحدث في مهمة اتصالات بصرية تمولها مديرية تكنولوجيا الفضاء التابعة لناسا وبرنامج الاتصالات والملاحة الفضائية (SCaN) ضمن مديرية مهام عمليات الفضاء التابعة للوكالة.

العمل النفسي تقوده جامعة ولاية أريزونا. مختبر الدفع النفاث مسؤول عن الإدارة العامة للمهمة، وهندسة الأنظمة، والتكامل والاختبار، وعمليات المهمة. Psyche هي المهمة الرابعة عشرة التي تم اختيارها كجزء من برنامج الاستكشاف التابع لناسا تحت إدارة المهام العلمية، والذي يديره مركز مارشال لرحلات الفضاء التابع للوكالة في هانتسفيل، ألاباما. قام برنامج خدمات الإطلاق التابع لناسا في مركز كينيدي للفضاء التابع للوكالة بإدارة خدمة الإطلاق. قامت شركة Maxar Technologies، ومقرها بالو ألتو، كاليفورنيا، بتوفير هيكل المركبة الفضائية ذات الدفع الكهربائي الشمسي العالي الطاقة.