226 milionů km – nový rekord laserové komunikace

226 milionů km – nový rekord laserové komunikace

30. dubna 2024

Zařízení DSOC (Deep Space Optical Communications), technologický experiment umístěný na sondě Psyche, opět posouvá možnosti laserové komunikace. To ale není zdaleka vše. Vůbec poprvé se totiž tento experiment spojil s klasickým komunikačním systémem sondy a přenesl na Zemi inženýrská data o Psyche. DSOC tak dělá svým tvůrcům radost, když láme jeden milník a rekord za druhým. Sonda Psyche není závislá na laserovém přenosu, k obousměrné komunikaci se Zemí totiž využívá primárně rádiový systém. To, že se ale podařilo přenést laserem kopii inženýrských dat na vzdálenost 226 milionů kilometrů (cca 1,5 násobek vzdálenosti Země od Slunce), je úctyhodný.

Tento úspěch také zlehka naznačuje, jak by sondy mohly v budoucnu využívat optické komunikační systémy. Ty totiž umožňují rychlejší datové přenosy komplexních vědeckých informací, ale i snímků či videí ve vysokém rozlišení, což se bude hodit třeba při dalším velkém skoku lidstva – výpravě lidí na Mars. „Během komunikace 8. dubna jsme stáhli zhruba deset minut duplikovaných dat o sondě,“ říká Meera Srinivasan, vedoucí provozu projektu z JPL v jižní Kalifornii a dodává: „Do té doby jsme z Psyche posílali různá testovací a diagnostická data. Tohle představuje významný milník celého projektu. Ukazuje se totiž, jak může být optický komunikační systém propojen s rádiovým komunikačním systémem sondy.“

Vizualizace Sluneční soustavy ukazuje pozici sondy Psyche 8. dubna 2024. Tehdy experimentální zařízení DSOC dokázalo přenést data rychlostí 25 Mbps na vzdálenost 226 milionů kilometrů.
Zdroj: https://www.nasa.gov/

Laserová komunikační technologie testovaná v rámci tohoto experimentu je navržena tak, aby umožnila přenos dat z hlubšího vesmíru rychlostmi, které jsou o jeden až dva řády (deseti- až stonásobně) rychlejší než špičkové rádiové komunikační systémy využívané dnešními kosmickými sondami. Od svého startu vloni 13. října je sonda Psyche stále v dobrém technickém stavu a připravená na cestu do hlavního pásu planetek mezi Marsem a Jupiterem, kde navštíví planetku Psyche.

Přístroj DSOC
Zdroj: https://eadn-wc01-8182785.nxedge.io/

Technologický demonstrátor DSOC již prokázal, že dokáže přenášet data rychlostí až 267 Mbps pomocí laseru v blízké infračervené oblasti spektra. Uvedené hodnoty rychlosti přenosu jsou srovnatelné s rychlostí stahování při použití běžného širokopásmového internetu tady na Zemi. Tohoto úspěchu bylo dosaženo už 11. prosince 2023, když došlo k experimentálnímu přenosu 15 sekund dlouhého videa v rozlišení 4K na Zemi ze vzdálenosti 31 milionů kilometrů, což odpovídá zhruba osmdesátinásobku vzdálenosti Země od Měsíce. Před sondou Psyche přitom nejvzdálenější laserový přenos na Zemi proběhl právě od Měsíce. Zmíněné video bylo společně s dalšími testovacími daty (včetně uměleckého díla z Arizona State University inspirovaného misí Psyche) nahráno do systému DSOC ještě před startem sondy.

Technologický demonstrátor dálkové, laserové komunikace DSOC v dubnu roku 2021. Foto: NASA/JPL-Caltech

Nyní se již Psyche nachází přibližně sedmkrát dál, takže rychlost, se kterou dokáže odesílat a přijímat data, podle očekávání poklesla. Během zmíněné zkoušky z 8. dubna sonda přenesla zkušební data maximální rychlostí 25 Mbps, což dalece překonalo původní cíl. Ten počítal s prověřením, zda je možné na tuto vzdálenost dosáhnout přenosové rychlosti alespoň 1 Mbps. Pozemní operátoři navíc sondě přikázali, aby zkusila opticky přenést data, která sama vytvořila. Zatímco Psyche přenášela svá data klasicky přes rádiové vlny na síť antén Deep Space Network, optický komunikační systém souběžně vysílal část těch samých dat vstříc Palomar Observatory v Kalifornii, což je primární přijímací pozemní stanice experimentu DSOC. „Po přijetí dat z DSN a Palomaru jsme v JPL prověřili opticky stažená data,“ popisuje Ken Andrews, vedoucí letových činností z JPL a dodává: „Byl to jen malý objem dat stažený v krátkém časovém úseku, ovšem skutečnost, že jsme tohle nyní schopni uskutečnit, překonala všechna naše očekávání.“

Testování systému OTA (Optical Transceiver Assembly) pro DSOC na zařízení, které eliminuje vliv gravitace.
Zdroj: https://www.nasa.gov

Když Psyche odstartovala, laserový komunikační demonstrátor nejprve posloužil k přenosu předem nahraných dat (včetně videa s kočkou Taters). Od té doby se v rámci projektu podařilo dokázat, že laserový vysílač na DSOC může přijímat data z vysoce výkonného laseru na Table Mountain poblíž Wrightwoodu v Kalifornii. Data mohou být dokonce odeslána do vysílače sondy a následně odeslána zpět na Zemi ještě během té samé noci, což projekt prokázal v nedávném experimentu „obousměrného otočení“. V rámci této zkoušky došlo k přenosu zkušebních dat (včetně fotek domácích mazlíčků) ze Země k Psyche a zpět. Celková trasa tam i zpět měřila dohromady okolo 450 milionů kilometrů. Podařilo se také stáhnout velké množství inženýrských dat o samotném experimentu, což umožní studovat charakteristiky optické komunikační linky.

„Hodně jsme se dozvěděli o tom, jak daleko můžeme posunout celý systém, když máme jasnou oblohu. Bouřky však občas narušily činnost jak na Table Mountain, tak na Palomaru,“ popisuje Ryan Rogalin, vedoucí elektroniky v přijímači DSOC, který pracuje v JPL. Tady se sluší poznamenat, že komunikace přes rádiové vlny může probíhat ve většině situací, které počasí nabídne. Oproti tomu laserová komunikace vyžaduje relativně jasnou oblohu, aby mohla přenášet data vysokou rychlostí. Odborníci z JPL vedli experiment, v rámci kterého se spojila Palomar Observatory, experimentální hybridní (radiofrekvenční i optická) anténa v Goldstone patřící pod komunikační komplex sítě DSN u kalifornského Barstow a detektor na Table Mountain. Společně pak tyto tři stanoviště přijímala stejný signál. Využívání více pozemních stanic tak, aby napodobovaly jeden velký přijímač, může pomoci zesílit signál z hlubšího vesmíru. Tato strategie by mohla být užitečná také v případě, kdy by byla jedna pozemní stanice vyřazena z provozu (třeba kvůli povětrnostním podmínkám). Ostatní stanice by v takovém případě mohly signál přijímat i nadále.