La Deep Space Station 13 du complexe Goldstone de la NASA en Californie – qui fait partie du Deep Space Network de l’agence – est une antenne expérimentale qui a été équipée d’un terminal optique. Dans une première, cette preuve de concept a reçu simultanément des signaux radiofréquence et laser provenant de l’espace lointain. Crédit : NASA/JPL-Caltech
NASAL’introduction par d’une antenne hybride dans le DSN marque une avancée significative dans la communication spatiale, permettant une transmission de données plus rapide et répondant aux exigences de l’exploration future.
Capable de recevoir à la fois des signaux radiofréquences et optiques, l’antenne hybride du DSN a suivi et décodé le laser de liaison descendante du DSOC, à bord de la mission Psyché de la NASA.
Une antenne expérimentale a reçu à la fois des signaux laser radiofréquence et proche infrarouge du vaisseau spatial Psyche de la NASA alors qu’il voyage dans l’espace lointain. Cela montre qu’il est possible d’adapter les antennes paraboliques géantes du Deep Space Network (DSN) de la NASA, qui communiquent avec les vaisseaux spatiaux via des ondes radio, pour des communications optiques ou laser.
En intégrant davantage de données dans les transmissions, la communication optique permettra de nouvelles capacités d’exploration spatiale tout en prenant en charge le DSN à mesure que la demande sur le réseau augmente.
Un gros plan du terminal optique de la Deep Space Station 13 montre sept miroirs hexagonaux qui collectent les signaux du laser de liaison descendante du DSOC. Les miroirs réfléchissent la lumière vers une caméra située juste au-dessus, et le signal est ensuite envoyé à un détecteur via un système de fibre optique. Crédit : NASA/JPL-Caltech
Améliorations de la communication dans l’espace lointain
L’antenne hybride optique radiofréquence de 34 mètres (112 pieds), appelée Deep Space Station 13, suit le laser de liaison descendante de la démonstration technologique Deep Space Optical Communications (DSOC) de la NASA depuis novembre 2023. L’émetteur-récepteur laser de vol de la démonstration technologique (voir image ci-dessous) voyage à bord du vaisseau spatial Psyché de l’agence, lancé le 13 octobre 2023.
L’antenne hybride est située au complexe de communications Goldstone Deep Space du DSN, près de Barstow, en Californie, et ne fait pas partie de l’expérience DSOC. Le DSN, le DSOC et Psyche sont gérés par le Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie du Sud.
L’émetteur-récepteur laser de vol de démonstration de la technologie Deep Space Optical Communications (DSOC) est présenté au Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie du Sud en avril 2021, avant d’être installé à l’intérieur de son enceinte en forme de boîte qui a ensuite été intégrée au vaisseau spatial Psyche de la NASA. L’émetteur-récepteur se compose d’un émetteur laser proche infrarouge pour envoyer des données à haut débit vers la Terre, et d’une caméra sensible de comptage de photons pour recevoir des données à faible débit transmises par le sol. L’émetteur-récepteur est monté sur un ensemble de supports et d’actionneurs – illustré sur cette photographie – qui stabilise l’optique des vibrations du vaisseau spatial. Crédit : NASA/JPL-Caltech
« Notre antenne hybride a pu se verrouiller et suivre avec succès et de manière fiable la liaison descendante DSOC peu de temps après le lancement de la démonstration technologique », a déclaré Amy Smith, directrice adjointe du DSN chez JPL. « Il a également reçu le signal radiofréquence de Psyché, nous avons donc démontré pour la première fois des communications synchrones par radio et par fréquence optique dans l’espace lointain. »
Fin 2023, l’antenne hybride a transmis des données à une distance de 20 millions de miles (32 millions de kilomètres) à un débit de 15,63 mégabits par seconde, soit environ 40 fois plus rapide que les communications par radiofréquence à cette distance. Le 1er janvier 2024, l’antenne a transmis une photo d’équipe qui avait été téléchargée sur DSOC avant le lancement de Psyché.
Maintenant que l’antenne hybride expérimentale de Goldstone a prouvé que les signaux radio et laser peuvent être reçus de manière synchrone par la même antenne, des antennes hybrides spécialement conçues (comme celle représentée ici dans un concept d’artiste) pourraient un jour devenir une réalité. Crédit : NASA/JPL-Caltech
Percée de double fonctionnalité
Afin de détecter les photons du laser (particules quantiques de lumière), sept miroirs segmentés ultra-précis ont été fixés à l’intérieur de la surface incurvée de l’antenne hybride. Ressemblant aux miroirs hexagonaux de la NASA Télescope spatial James Webb, ces segments imitent l’ouverture de collecte de lumière d’un télescope à ouverture de 3,3 pieds (1 mètre). Lorsque les photons laser arrivent à l’antenne, chaque miroir réfléchit les photons et les redirige avec précision vers une caméra à haute exposition fixée au sous-réflecteur de l’antenne suspendu au-dessus du centre de la parabole.
Le signal laser collecté par la caméra est ensuite transmis à travers une fibre optique qui alimente un nanofil unique semi-conducteur refroidi cryogéniquement. photon détecteur. Conçu et construit par le Microdevices Laboratory du JPL, le détecteur est identique à celui (voir image ci-dessous) utilisé à l’observatoire Palomar de Caltech, dans le comté de San Diego, en Californie, qui fait office de station au sol de liaison descendante du DSOC.
Montré ici est une copie identique du détecteur supraconducteur à photon unique à nanofils Deep Space Optical Communications, ou DSOC, couplé au télescope Hale de 200 pouces (5,1 mètres) situé à l’observatoire Palomar de Caltech dans le comté de San Diego, en Californie. Construit par le Microdevices Laboratory du Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie du Sud, le détecteur est conçu pour recevoir des signaux laser proche infrarouge de l’émetteur-récepteur de vol DSOC voyageant avec la mission Psyche de la NASA dans l’espace lointain dans le cadre de la démonstration technologique. Crédit : NASA/JPL-Caltech
« Il s’agit d’un système optique à haute tolérance construit sur une structure flexible de 34 mètres », a déclaré Barzia Tehrani, responsable adjoint des systèmes de communication au sol et responsable de la livraison de l’antenne hybride au JPL. « Nous utilisons un système de miroirs, de capteurs précis et de caméras pour aligner et diriger activement le laser depuis l’espace profond vers une fibre atteignant le détecteur. »
Téhérani espère que l’antenne sera suffisamment sensible pour détecter le signal laser envoyé depuis Mars à son point le plus éloigné de la Terre (2 ½ fois la distance du Soleil à la Terre). Psyché sera à cette distance en juin en route vers la principale ceinture d’astéroïdes entre Mars et Jupiter pour enquêter sur l’astéroïde riche en métaux Psyché.
Le réflecteur à sept segments de l’antenne est une preuve de concept pour une version plus grande et plus puissante à 64 segments – l’équivalent d’un télescope à ouverture de 26 pieds (8 mètres) – qui pourrait être utilisée à l’avenir.
Lors d’un test de l’antenne expérimentale, cette photo de l’équipe projet du JPL a été transmise par l’émetteur-récepteur DSOC à bord de Psyché. Crédit : NASA/JPL-Caltech
Perspectives d’avenir et développement des infrastructures
DSOC ouvre la voie à des communications à débit de données plus élevé, capables de transmettre des informations scientifiques complexes, des vidéos et des images haute définition à l’appui du prochain pas de géant de l’humanité : envoyer des humains sur Mars. La démo technique a récemment diffusé la première vidéo ultra haute définition depuis l’espace lointain à des débits record.
La modernisation des antennes radiofréquences avec des terminaux optiques et la construction d’antennes hybrides spécialement conçues pourraient être une solution au manque actuel d’infrastructure optique au sol dédiée. Le DSN dispose de 14 paraboles réparties dans des installations en Californie, à Madrid et à Canberra, en Australie. Les antennes hybrides pourraient s’appuyer sur les communications optiques pour recevoir de gros volumes de données et utiliser des fréquences radio pour des données moins gourmandes en bande passante, telles que la télémétrie (informations sur la santé et la position).
« Depuis des décennies, nous ajoutons de nouvelles fréquences radio aux antennes géantes du DSN situées dans le monde entier. La prochaine étape la plus réalisable consiste donc à inclure des fréquences optiques », a déclaré Tehrani. « Nous pouvons avoir un actif qui fait deux choses en même temps ; convertir nos routes de communication en autoroutes et économiser du temps, de l’argent et des ressources.
Mission et avancées technologiques
DSOC est la dernière d’une série de démonstrations de communications optiques financées par le programme de missions de démonstration technologique (TDM) de la NASA et le programme de communications et de navigation spatiales (SCaN) de l’agence. JPL, une division de Caltech à Pasadena, en Californie, gère le DSOC pour le TDM au sein de la direction des missions de technologie spatiale de la NASA et le SCaN au sein de la direction des missions des opérations spatiales de l’agence.
