¿Cómo se espera que la velocidad máxima de datos del sistema de comunicaciones ópticas en el espacio profundo (DSOC) de la misión Psyche aumente con la distancia?

La Página de Misión de Comunicaciones Ópticas en el Espacio Profundo (DSOC) de la NASA incluye lo siguiente:

Las tecnologías clave de DSOC desarrolladas para el proyecto incluyen: un ensamblaje de apuntamiento y aislamiento de perturbaciones de naves espaciales de baja masa; un transmisor láser de vuelo de alta eficiencia; y un par de conjuntos de detectores de conteo de fotones de alta eficiencia para el transceptor óptico de vuelo y el receptor terrestre. Estas tecnologías están integradas en el transmisor láser de vuelo DSOC y el receptor basado en tierra para permitir comunicaciones eficientes con fotones con la capacidad de discernir señales láser débiles del "ruido" de fondo aportado por la energía solar dispersada por la atmósfera terrestre.

Dos preguntas anteriores y su respuesta resaltan que para los esquemas de comunicaciones ópticas convencionales basados ​​en la conversión de fotodiodos de intensidad óptica modulada a señales eléctricas igualmente moduladas, la tasa de datos alcanzable escala como (sorprendentemente) 1 / r 4 en lugar de lo familiar 1 / r 2 para los sistemas convencionales de radiocomunicaciones del espacio lejano.

Es posible que un sistema óptico basado en el conteo de fotones tenga una escala de velocidad de datos versus distancia más favorable que 1 / r 4 entonces quisiera preguntar:

Pregunta: ¿Cómo se espera que aumente la velocidad máxima de datos del sistema de comunicaciones ópticas en el espacio profundo (DSOC) de la misión Psyche con la distancia?

Otras lecturas:

De la noticia de SPIE.org Las comunicaciones ópticas funcionan mejor en distancias relativamente cortas en el espacio (6 de abril de 2006 Morio Toyoshima, Walter Leeb, Hiroo Kunimori y Tadashi Takano)

De "Las comunicaciones ópticas funcionan mejor en distancias relativamente cortas en el espacio" Figura 1. Velocidades de datos máximas para sistemas de comunicación ópticos y de RF versus distancia de enlace. GEO significa órbita terrestre geoestacionaria, y las flechas muestran las distancias a GEO, la Luna y Marte.

Figura 1. Velocidades de datos máximas para sistemas de comunicación ópticos y de RF en función de la distancia del enlace. GEO significa órbita terrestre geoestacionaria, y las flechas muestran las distancias a GEO, la Luna y Marte.

Respuestas (1)

La escala con 1 / r 4 se mantiene al recibir una señal óptica de forma similar a una señal de RF, es decir, leyéndola como una señal de amplitud.

Sin embargo, los fotones en el rango IR/visible/UV se pueden detectar individualmente y se puede medir su tiempo de llegada preciso. Eso es a lo que la página de la misión se refiere como un "detector de conteo de fotones".

Con tal detector estamos de vuelta en el tradicional 1 / r 2 escalado: todo lo que cuenta (sin juego de palabras) es la cantidad de fotones recibidos, que claramente se escala con el tamaño del punto del haz.

La diapositiva 9 de la presentación (1) muestra un análisis del enlace óptico que se planea usar en la nave espacial Psyche. Mirando la parte lineal (*) de la gráfica entre 0.6 y 2.4 AU nos da una reducción en la tasa de datos de alrededor de 40 - una escala con 1 / r 2.3 .

Un análisis más general se puede encontrar en (2). La Figura 19 muestra el cambio esperado en el rendimiento de datos para diferentes esquemas de codificación, y nuevamente la caída en la tasa de datos para esquemas de codificación razonables (por ejemplo, PPM = 256) está alrededor 1 / r 2 .

(*) una curva lineal en un gráfico logarítmico significa que la relación entre los dos ejes es una ley de potencia simple.

Referencias

(1) Estado de la demostración de tecnología de comunicaciones ópticas en el espacio profundo de la NASA (JPL, Roberts, 2017)

(2) Simulación de enlace descendente de comunicaciones ópticas en el espacio profundo (DSOC) con orden de PPM variable (Aboagye, 2021)

¡Esto es excelente, gracias! Para aquellos que deseen leer más, la respuesta de Mark Adler de 13 bits por fotón se vincula con el 2007 de la NASA 2007 TM RF y comunicaciones ópticas con visión de futuro: una comparación de los retornos de alta velocidad de datos desde el espacio profundo en el marco de tiempo de 2020
¿Cómo se espera que la velocidad máxima de datos del sistema de comunicaciones ópticas en el espacio profundo (DSOC) de la misión Psyche aumente con la distancia?
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