美国宇航局的混合天线开创了深空激光通信的新时代

美国宇航局在DSN中引入混合天线标志着空间通信的重大进步，实现了更快的数据传输并支持未来探索的需求。

DSN的混合天线能够接收射频和光信号，在NASA的Psyche任务中跟踪和解码了来自DSOC的下行链路激光器。

一个实验天线在穿越深空时接收了来自美国宇航局Psyche航天器的射频和近红外激光信号。这表明，美国宇航局深空网络（DSN）的巨型碟形天线可以通过无线电波与航天器进行通信，从而改装为光学或激光通信。

通过将更多数据打包到传输中，光通信将实现新的太空探索能力，同时随着网络需求的增长支持DSN。

深空通信的增强功能

自 2023 年 11 月以来，这根 34 米（112 英尺）的射频光混合天线被称为 13 号深空站，一直在跟踪 NASA 深空光通信 （DSOC） 技术演示中的下行链路激光器。该技术演示的飞行激光收发器（见下图）与该机构于 2023 年 10 月 13 日发射的 Psyche 航天器一起飞行。

混合天线位于加利福尼亚州巴斯托附近的DSN的戈德斯通深空通信中心，不是DSOC实验的一部分。DSN、DSOC 和 Psyche 由位于南加州的 NASA 喷气推进实验室管理。

“自技术演示推出后不久，我们的混合天线就能够成功可靠地锁定和跟踪DSOC下行链路，”JPL的DSN副经理Amy Smith说。“它还接收了Psyche的射频信号，因此我们首次展示了同步射频和光频深空通信。

2023 年底，混合天线以每秒 15.63 兆比特的速度从 2000 万英里（3200 万公里）外下行数据，比该距离的射频通信快约 40 倍。2024 年 1 月 1 日，天线下行了一张在 Psyche 发射前上传到 DSOC 的团队照片。

双功能突破

为了检测激光的光子（光的量子粒子），七个超精密分段镜被连接到混合天线曲面的内部。这些部分类似于美国宇航局詹姆斯韦伯太空望远镜的六边形镜子，模仿了3.3英尺（1米）口径望远镜的集光孔径。当激光光子到达天线时，每个反射镜都会反射光子，并将它们精确地重定向到一个高曝光相机中，该相机连接到悬挂在碟形天线中心上方的天线子反射器上。

然后，相机收集的激光信号通过光纤传输，光纤馈入低温冷却的半导体纳米线单光子探测器。该探测器由JPL的微器件实验室设计和建造，与加州理工学院位于加利福尼亚州圣地亚哥县的帕洛玛天文台使用的探测器（见下图）相同，该天文台是DSOC的下行链路地面站。

“这是一个建立在34米柔性结构上的高公差光学系统，”JPL通信地面系统副经理兼混合天线交付经理Barzia Tehrani说。“我们使用一个由镜子、精确传感器和摄像头组成的系统，主动对准激光并将其从深空引导到到达探测器的光纤中。”

德黑兰尼希望天线足够灵敏，能够探测到从火星发出的激光信号，距离地球最远（从太阳到地球距离的2 1/2倍）。Psyche将于6月到达火星和木星之间的主要小行星带，以研究富含金属的小行星Psyche。

天线上的七段反射器是具有 64 段的放大和更强大版本的概念验证——相当于 26 英尺（8 米）口径望远镜——可以在未来使用。

未来展望与基础设施发展

DSOC正在为能够传输复杂科学信息、视频和高清图像的高数据速率通信铺平道路，以支持人类的下一个巨大飞跃：将人类送上火星。该技术演示最近以创纪录的比特率从深空流式传输了第一个超高清视频。

用光终端改造射频天线并构建专用混合天线可能是目前缺乏专用光地面基础设施的解决方案。DSN 有 14 种菜肴分布在加利福尼亚州、马德里和澳大利亚堪培拉的设施中。混合天线可以依靠光通信来接收大量数据，并使用无线电频率来接收带宽密集度较低的数据，例如遥测（健康和位置信息）。

“几十年来，我们一直在为DSN遍布全球的巨型天线添加新的无线电频率，因此最可行的下一步是包括光学频率，”Tehrani说。“我们可以让一项资产同时做两件事;将我们的通信道路改造成高速公路，节省时间、金钱和资源。

使命和技术进步

DSOC是由NASA的技术演示任务（TDM）计划和该机构的空间通信和导航（SCaN）计划资助的一系列光通信演示中的最新一个。JPL 是位于加利福尼亚州帕萨迪纳的加州理工学院的一个部门，负责管理 NASA 空间技术任务理事会内的 TDM DSOC 和该机构空间运营任务理事会内的 SCaN。