การสาธิตการสื่อสารด้วยแสงในห้วงอวกาศลึก

แผนผังโครงสร้างทางสถาปัตยกรรมสำหรับต้นแบบระบบสื่อสารด้วยแสงในอวกาศลึก (DSOC) ที่วางแผนไว้
ภาพรวมของโปรแกรม
ประเทศ	สหรัฐอเมริกา
องค์กร	นาซ่า
ผู้จัดการ	ห้องปฏิบัติการไอพ่นขับเคลื่อน
วัตถุประสงค์	การสื่อสารด้วยเลเซอร์ในอวกาศ
สถานะ	กำลังดำเนินการ
ประวัติโปรแกรม
ระยะเวลา	ปี 2017 – ปัจจุบัน ( 2017 )

ระบบสื่อสารด้วยแสงในห้วงอวกาศลึก ( DSOC ) เป็นระบบสื่อสารด้วยเลเซอร์ในอวกาศที่กำลังดำเนินการอยู่ ซึ่งปรับปรุงประสิทธิภาพการสื่อสารได้ 10 ถึง 100 เท่าเมื่อเทียบกับ เทคโนโลยี คลื่นความถี่วิทยุโดยไม่ต้องเพิ่มมวล ปริมาตร หรือพลังงาน^{[ 1 ]} DSOC สามารถให้บริการ ดาวน์ลิงก์ที่มีแบน ด์วิดท์ สูง จากนอกห้วงอวกาศรอบดวงจันทร์ได้

โครงการนี้ดำเนินการโดยห้องปฏิบัติการ Jet Propulsion Laboratory (JPL) ของ NASA ในเมืองพาซาดีนา รัฐแคลิฟอร์เนียในเดือนเมษายน พ.ศ. 2567 ระบบสามารถสื่อสารกับยานอวกาศ Psyche ได้สำเร็จในระยะทาง 140 ล้านไมล์^{[ 2 ]}

การสำรวจอวกาศของมนุษย์ในอนาคตอาจต้องการภาพความละเอียดสูง วิดีโอถ่ายทอดสด และการส่งข้อมูลแบบเรียลไทม์อย่างต่อเนื่องในห้วงอวกาศลึกเพื่อให้สามารถให้คำแนะนำและอัปเดตข้อมูลได้ทันท่วงทีระหว่างการเดินทางระยะไกล^{[ 1 ]}แม้จะมีอัตราการส่งข้อมูลสูงสุดที่ 5.2 เมกะบิตต่อวินาที (Mb/s) ยานสำรวจดาวอังคาร (MRO) ก็ยังต้องใช้เวลา 7.5 ชั่วโมงในการส่งข้อมูลทั้งหมดจากเครื่องบันทึกบนยาน และ 1.5 ชั่วโมงในการส่งภาพ HiRISE เพียงภาพเดียวเพื่อนำไปประมวลผลบนโลก เครื่องถ่ายภาพไฮเปอร์สเปกตรัมความละเอียดสูงรุ่นใหม่ทำให้ระบบการสื่อสารมีความต้องการอัตราการส่งข้อมูลที่สูงขึ้นไปอีก^{[ 3 ]}

การสาธิตเทคโนโลยีต้นแบบสำหรับตัวรับส่งสัญญาณ แสงนี้ เปิดตัวในปี 2023 บนยาน อวกาศ Psyche ของ NASA ซึ่ง เป็นยานสำรวจ อวกาศแบบหุ่นยนต์ เพื่อศึกษาดาวเคราะห์น้อยโลหะขนาดยักษ์ที่รู้จักกันในชื่อ16 Psycheลำแสงเลเซอร์จากยานอวกาศจะถูกรับโดยกล้องโทรทรรศน์ Hale ขนาด 200 นิ้ว (5 เมตร) ที่หอดูดาว Palomarในแคลิฟอร์เนีย^{[ 4 ​​]}ลำแสงเลเซอร์ไปยังยานอวกาศจะถูกส่งจากกล้องโทรทรรศน์ขนาดเล็กกว่าที่หอดูดาว Table Mountainในแคลิฟอร์เนีย

แสงแรกส่องถึงเมื่อวันที่ 14 พฤศจิกายน พ.ศ. 2566 ^{[ 5 ]}

วิดีโอแรกที่ส่งจากอวกาศโดยใช้เทคโนโลยีนี้สำเร็จเกิดขึ้นเมื่อวันที่ 11 ธันวาคม พ.ศ. 2566 จากระยะทางที่ไกลถึง 19 ล้านไมล์ (31 ล้านกิโลเมตร หรือประมาณ 80 เท่าของระยะทางระหว่างโลกกับดวงจันทร์) ^{[ 6 ]}

เทคโนโลยีใหม่นี้จะใช้เลเซอร์ ขั้นสูง ในย่านอินฟราเรดใกล้ (1.55 μm ^{[ 7 ]} ) ของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า^{[ 1} ] สถาปัตยกรรมนี้ใช้การส่งสัญญาณเลเซอร์จากโลกเพื่อช่วย ^ในการรักษาเสถียรภาพของเส้นสายตาและชี้ลำแสงเลเซอร์ดาวน์ลิงก์กลับไป นอกจากนี้ยังใช้รหัสที่มีประสิทธิภาพสำหรับการสื่อสารที่ปราศจากข้อผิดพลาด ระบบต้องแก้ไขสัญญาณรบกวนพื้นหลัง (แสงกระเจิง) จากชั้นบรรยากาศของโลกและดวงอาทิตย์^{[ 8 ]}ด้วยฮาร์ดแวร์ปัจจุบัน (การส่งสัญญาณภาคพื้นดิน 1 เมตร การรับสัญญาณภาคพื้นดิน 5 เมตร กล้องโทรทรรศน์ยานอวกาศ 22 ซม.) คาดว่าการส่งข้อมูลขึ้นจะถึง 292 กิโลบิต/วินาที ที่ระยะทาง 0.4 หน่วยดาราศาสตร์ (60,000,000 กม.; 37,000,000 ไมล์) โดยที่การส่งข้อมูลลงจะถึง 100 เมกะบิต/วินาที ที่ระยะทางเดียวกัน^{[ 9 ]}ความกว้างของลำแสงที่ส่งผ่านจะแปรผกผันกับความถี่ที่ใช้ ดังนั้นยิ่งความยาวคลื่นที่ใช้สั้นลงเท่าใด ลำแสงก็จะยิ่งแคบและโฟกัสมากขึ้นเท่านั้น^{[ 3 ]}แบนด์วิดท์ดาวน์ลิงก์จะขึ้นอยู่กับเส้นผ่านศูนย์กลางของกล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดินและจะน้อยลงในช่วงเวลากลางวัน^{[ 9 ]}

เทคโนโลยี DSOC หลักสามประการที่พัฒนาขึ้นสำหรับโครงการนี้ได้แก่: ^{[ 7 ] [ 8 ]}

• ชุดอุปกรณ์แยกและปรับทิศทางการรบกวนสำหรับยานอวกาศมวลต่ำ เพื่อใช้งานในสภาวะที่มีการสั่นสะเทือนของยานอวกาศ
• เครื่องส่งสัญญาณเลเซอร์สำหรับการบินประสิทธิภาพสูง;
• ชุดตรวจจับโฟตอนประสิทธิภาพสูงคู่หนึ่งสำหรับตัวรับส่งสัญญาณแสงบนเครื่องบินและตัวรับสัญญาณภาคพื้นดิน (กล้องโทรทรรศน์) ^{[ 8 ]}

การสาธิตการสื่อสารด้วยแสงในห้วงอวกาศลึกรวมอยู่ในภารกิจPsyche ของ NASA ซึ่งเปิดตัวเมื่อวันที่ 13 ตุลาคม 2023 ยานอวกาศ Psycheจะสำรวจดาวเคราะห์น้อยโลหะ16 Psycheและไปถึงแถบดาวเคราะห์น้อยในปี 2029 ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}

DSOC ประสบความสำเร็จในการส่ง สัญญาณครั้งแรกเมื่อวันที่ 14 พฤศจิกายน 2023 การทดลองนี้ประสบความสำเร็จในการส่งวิดีโอความละเอียดสูงพิเศษ 15 วินาทีเมื่อวันที่ 11 ธันวาคม จากตำแหน่งที่อยู่ห่างจากโลก 19 ล้านไมล์ (31 ล้านกิโลเมตร หรือประมาณ 80 เท่าของระยะทางระหว่างโลกกับดวงจันทร์) วิดีโอที่โหลดไว้ล่วงหน้าของแมวชื่อเทเตอร์ถูกส่งด้วยอัตราบิตสูงสุดของระบบที่ 267 เมกะบิตต่อวินาที (Mbps) และใช้เวลา 101 วินาทีในการมาถึงโลก^{[ 13 ]}การทดสอบเพิ่มเติมในเดือนกรกฎาคม 2024 แสดงให้เห็นถึงการสื่อสารในระยะทาง 467 ล้านกิโลเมตร (290 ล้านไมล์) ^{[ 14 ]}

• การสาธิตการถ่ายทอดสัญญาณสื่อสารด้วยเลเซอร์  – อุปกรณ์ที่นาซาส่งขึ้นสู่อวกาศในปี 2021