¿Cómo midieron LADEE y LDRC su distancia desde la órbita lunar a la Tierra con una precisión de 1 centímetro usando comunicaciones ópticas?

En el caso de la comunicación óptica, no tratamos con ondas electromagnéticas que se recogen en una antena a un nivel de potencia ridículamente bajo, se amplifican en muchos órdenes de magnitud y luego deben correlacionarse con una forma de señal conocida para extraer información significativa del abundante ruido.

En los enlaces ópticos (aquí: luz infrarroja a 1500 nm) todos y cada uno de los fotones recibidos por el telescopio transportan energía suficiente para ser detectados individualmente y se puede determinar su propio tiempo de llegada con una precisión de algunas decenas de picosegundos.

Pero demos un paso atrás, en la línea de Boroson et al. en "The Lunar Laser Communications Demonstration (LLCD)": El láser en LADEE transmite datos a una velocidad de hasta 622 MBit/s utilizando una modulación láser a 3 GHz que genera pulsos de luz de 300 ps de longitud. En el lado del receptor, la luz se detecta utilizando detectores de fotones únicos de nanocables superconductores (SNSPD) que brindan información de tiempo con una precisión de 30 ps. Estos están hechos de un material superconductor que, cada vez que es golpeado por un fotón y lo absorbe, pierde superconductividad por un breve momento, lo que puede ser detectado por una electrónica sensible que mide la caída de voltaje a lo largo del cable.

Con esta capacidad de temporización, todo el proceso de medición se reduce a enviar un flujo de bits corto y medir el tiempo hasta que regresa del satélite. Un solo fotón (que pertenece a un bit conocido en la transmisión) ya te da una precisión de 150ps (porque no se sabe exactamente cuándo se envió durante un pulso largo de 300ps) o una precisión de distancia de 10 cm. Continuar con la medición para los siguientes dos mil fotones (es decir, unos pocos microsegundos como máximo) reduce la incertidumbre promediando hasta la precisión de 1 cm declarada.

Una cosa que falta en lo anterior es el hecho de que el tiempo que el satélite necesitó entre recibir un bit y enviar la respuesta también debe conocerse con alta precisión. Hay dos posibilidades para eso: o mide este tiempo usando el mismo principio que se describe para la estación terrestre, o el satélite usa un flujo de bits extendido para recuperar la señal del reloj y usarla para su transmisor, por lo tanto, envía con una señal fija. y latencia predeterminada.

También se podría realizar una medición Doppler para obtener el componente de velocidad radial en función de la modulación de 3 GHz, pero debido al tiempo muy corto de una medición de rango, es probable que no sea necesaria; también podría reemplazarse por varias mediciones de rango posteriores.