使用激光将 NASA 数据传送到地面

NASA 发射卫星、漫游者和轨道飞行器来调查人类在银河系中的位置。当这些任务到达目的地时，他们的科学仪器会捕捉到图像、视频和有关宇宙的宝贵见解。空间和地面的通信基础设施使这些任务收集的数据能够到达地球。然而，如果没有地面站接收它，这些任务捕获的非凡数据将被困在太空中，无法到达地球上的科学家和研究人员。

自太空探索开始以来，NASA 的任务主要依靠射频通信来传输信息。 NASA 的天基激光通信中继演示 (LCRD) 将展示激光通信——一种将数据从太空传输到地面的革命性方式。

LCRD 的地面站，称为光学地面站 (OGS) -1 和 -2，位于加利福尼亚州的桌山和夏威夷的哈雷阿卡拉。选择这些偏远、高海拔的地方是因为它们天气晴朗。虽然激光通信可以提供更高的数据传输速率，但云和湍流等大气扰动会在激光信号进入地球大气层时破坏它们。

美国宇航局戈达德太空飞行中心的罗恩米勒说：“当地气象工作的方式是，山顶的尘埃最少，大气湍流较少，这对激光通信非常有用。” “它大约在 10,000 英尺高空，因此您处于山顶下方的许多大气和天气之上。山顶阳光明媚，山中点多云是很常见的。”

NASA 通信工程师之所以选择这些站点，是因为它们的天气模式通常相互补充。当加利福尼亚的 OGS-1 多云时，夏威夷的 OGS-2 往往是晴天——反之亦然。为了监测云覆盖并确定要使用哪个站，商业合作伙伴诺斯罗普·格鲁曼公司提供了一个大气监测站，用于观察哈雷阿卡拉的天气状况。这个监测站每周 7 天、每天 24 小时几乎自主运行。 OGS-1在桌山也有类似的天气监测能力。

尽管这些地点通常天气晴朗，但 NASA 工程师仍必须努力减少大气湍流对 OGS-1 和 OGS-2 接收到的数据的影响。为此，两个站都利用了自适应光学的力量。

“自适应光学系统使用传感器来测量从航天器传来的电磁信号的失真，”美国宇航局位于南加州的喷气推进实验室的 OGS-1 开发和运营经理汤姆罗伯茨说。 “如果我们可以测量这种扭曲，那么我们就可以将其发送通过一个可变形的镜子，该镜子会改变其形状，以消除大气引起的那些畸变。这使我们能够获得良好、原始的信号。”

虽然 OGS-2 是专门为 LCRD 任务开发的，但 OGS-1 位于 JPL 的光通信望远镜实验室，该实验室用于之前的激光通信演示。为了让 OGS-1 为 LCRD 支持做好准备，工程师必须升级地面站。其中一项升级涉及更换反射镜以获得更好的反射率和更高的激光。

在任务支持之前，LCRD 将花费大约两年的时间进行测试和实验。在此期间，OGS-1 和 OGS-2 将充当模拟用户，将数据从一个站发送到 LCRD，然后向下发送到下一个。这些测试将使航空航天界能够向 LCRD 学习，并进一步改进技术，以供未来实施激光通信系统。在实验阶段之后，LCRD 将支持太空任务。任务，就像国际空间站上的终端一样，会将数据发送到 LCRD，然后将其发送到 OGS-1 或 OGS-2。

LCRD 是美国国防部太空测试计划 Satellite-6 (STP-Sat-6) 上的托管有效载荷。虽然 LCRD 是一种激光通信有效载荷，但航天器仍将与地面建立射频连接。位于新墨西哥州拉斯克鲁塞斯附近的白沙综合体的有效载荷到地面链路终端（PGLT）将通过无线电波将跟踪、遥测和命令数据传送给航天器。 NASA 在位于白沙的 LCRD 任务运营中心管理 LCRD 的地面要素 - OGS-1、OGS-2 和 PGLT。

“任务运营中心是 LCRD 系统的中央大脑，”LCRD 的 NASA Goddard 地面部门经理 Miriam Wennersten 说。 “它同时协调有效载荷和所有三个地面站的配置，调度各种光服务和链路。”

如果没有地面基础设施，非凡的科学和探索数据将无法提供给地球上的研究人员。 LCRD 的地面部分对任务的成功至关重要，为工程师提供测试和改进激光通信的机会。反过来，LCRD 将迎来激光通信的新时代，在这个时代，任务将前所未有地获得从卫星和太空探测器中收集到的见解。