美國國家航空航天局在 DSN 中引入混合天線標誌著空間通訊領域的重大進步，可實現更快的資料傳輸並支援未來探索的需求。DSN 的混合天線能夠同時接收射頻和光訊號，已經跟蹤並解碼了 NASA Psyche 任務上 DSOC 發射的下行鐳射。
位於美國國家航空航天局加利福尼亞州金石綜合體的第 13 號深空站是該局深空網路的一部分，它是一個加裝了光學終端的實驗性天線。這一概念驗證首次同時接收來自深空的射頻和鐳射訊號。圖片來源：NASA/JPL-加州理工學院
美國國家航空航天局（NASA）的"Psyche"號宇宙飛船在深空飛行時，一根實驗天線接收到了它發出的射頻和近紅外鐳射訊號。這表明，美國國家航空航天局深空網路（DSN）透過無線電波與航天器通訊的巨型碟形天線有可能改裝為光學或鐳射通訊天線。
透過將更多資料打包傳輸，光通訊將實現新的空間探索能力，同時隨著網路需求的增長為 DSN 提供支援。
13 號深空站光學終端的特寫顯示了七個六角形反射鏡，用於收集 DSOC 下行鏈路鐳射器發出的訊號。反射鏡將光線反射到正上方的照相機中，然後訊號透過光纖系統傳送到探測器。圖片來源：NASA/JPL-Caltech
自2023年11月以來，這個34米（112英尺）長的射頻-光學-混合天線一直在跟蹤NASA深空光通訊（DSOC）技術演示的下行鐳射。該技術演示的飛行鐳射收發器（見下圖）與該機構於 2023 年 10 月 13 日發射的Psyche 航天器一起飛行。
混合天線位於加利福尼亞州巴斯托附近的 DSN 的金石深空通訊綜合體，不屬於 DSOC 實驗的一部分。DSN、DSOC 和 Psyche 由位於南加州的 NASA 噴氣推進實驗室管理。
2021 年 4 月，深空光通訊（DSOC）技術演示的飛行鐳射收發器在位於南加州的美國宇航局噴氣推進實驗室展示，隨後被安裝在其盒式外殼內，該外殼後來與美國宇航局的 Psyche 航天器整合在一起。收發器由一個向地球傳送高速率資料的近紅外鐳射發射器和一個接收地面傳送的低速率資料的靈敏光子計數相機組成。收發器安裝在一個由支柱和致動器組成的元件上--如圖所示--該元件用於穩定光學器件，使其不受航天器振動的影響。圖片來源：NASA/JPL-Caltech
JPL的DSN副經理艾米-史密斯（Amy Smith）說："自技術演示發射後不久，我們的混合天線就能夠成功、可靠地鎖定和跟蹤DSOC下行鏈路。它還接收到了Psyche的射頻訊號，因此我們首次展示了同步射頻和光頻深空通訊"。
2023 年末，混合天線以每秒 15.63 兆位元的速度從 2000 萬英里（3200 萬公里）外下行鏈路傳輸資料--比該距離上的無線電頻率通訊快約 40 倍。2024 年 1 月 1 日，該天線下傳了一張團隊照片，這張照片在 Psyche 發射之前就已經上傳到 DSOC。
現在，戈德斯通的實驗性混合天線已經證明，同一天線可以同步接收無線電和鐳射訊號，因此，專門建造的混合天線（如圖中的藝術家概念圖）有朝一日可能會成為現實。圖片來源：NASA/JPL-Caltech
為了探測鐳射的光子（光量子粒子），工程人員在混合天線的彎曲表面內側安裝了七塊超精密分段鏡。這些鏡片與美國國家航空航天局詹姆斯-韋伯太空望遠鏡的六邊形鏡片相似，模仿了 3.3 英尺（1 米）孔徑望遠鏡的光收集孔徑。當鐳射光子到達天線時，每個鏡面都會反射這些光子，並將它們精確地重新定向到一個高曝光相機中，該相機連線在天線的副反射鏡上，懸掛在碟形天線中心的上方。
相機收集到的鐳射訊號透過光纖傳輸到低溫冷卻的半導體奈米線單光子探測器。該探測器由 JPL 的微器件實驗室設計和製造，與加州理工學院帕洛瑪天文臺使用的探測器（見下圖）完全相同，帕洛瑪天文臺位於加利福尼亞州聖迭戈縣，是 DSOC 的下行鏈路地面站。
這裡展示的是深空光通訊（DSOC）超導奈米線單光子探測器的複製品，它與位於加利福尼亞州聖迭戈縣加州理工學院帕洛瑪天文臺的 200 英寸（5.1 米）海爾望遠鏡相連。該探測器由位於南加州的美國宇航局噴氣推進實驗室的微器件實驗室製造，設計用於接收隨美國宇航局"Psyche"號任務在深空飛行的 DSOC 飛行收發器發出的近紅外鐳射訊號，作為技術演示的一部分。圖片來源：NASA/JPL-Caltech
"這是一個建立在34米柔性結構上的高公差光學系統，"JPL的通訊地面系統副經理兼混合天線交付經理Barzia Tehrani說。"我們使用一個由反射鏡、精確感測器和攝像頭組成的系統，主動對準並引導來自深空的鐳射進入到達探測器的光纖。"
Tehrani 希望天線的靈敏度足以探測到火星在距離地球最遠的地方（太陽到地球距離的 2.5 倍）發出的鐳射訊號。Psyche 號將於 6 月份到達這個距離，前往火星和木星之間的主小行星帶，調查富含金屬的小行星 Psyche。
天線上的七段反射器是一個概念驗證，未來可能會使用64段（相當於26英尺（8米）口徑的望遠鏡）更大、更強大的版本。
在實驗天線測試期間，這張 JPL 專案組的照片被 Psyche 號上的 DSOC 收發器下傳。資料來源：NASA/JPL-Caltech
DSOC 正在為能夠傳輸複雜科學資訊、影片和高畫質影象的更高速率通訊鋪平道路，以支援人類的下一次飛躍：將人類送上火星。最近，該技術演示以創紀錄的位元率從深空傳輸了首段超高畫質影片。
用光學終端改裝射頻天線和建造專用混合天線可以解決目前缺乏專用光學地面基礎設施的問題。DSN 有 14 個天線，分佈在加利福尼亞、馬德里和澳大利亞堪培拉的設施中。混合天線可以依靠光通訊接收大量資料，並使用無線電頻率接收頻寬密集度較低的資料，如遙測資料（健康和位置資訊）。
Tehrani 說："幾十年來，我們一直在為 DSN 遍佈全球的巨型天線增加新的無線電頻率，因此最可行的下一步就是增加光學頻率。我們可以用一種資產同時做兩件事；將我們的通訊道路變成高速公路，節省時間、金錢和資源。"
DSOC是美國國家航空航天局（NASA）技術示範任務（TDM）計劃和空間通訊與導航（SCaN）計劃資助的一系列光通訊示範專案中的最新專案。JPL是位於加利福尼亞州帕薩迪納的加州理工學院的一個分部，負責管理NASA空間技術任務局TDM和空間執行任務局SCaN的DSOC。
編譯來源：ScitechDaily
