สถิติการสื่อสารด้วยเลเซอร์ในห้วงอวกาศลึก มีพื้นที่ให้จินตนาการมากแค่ไหน? ตอนที่หนึ่ง

เมื่อไม่นานมานี้ ยานสำรวจ Spirit ของสหรัฐฯ ได้ทำการทดสอบการสื่อสารด้วยเลเซอร์ในอวกาศลึกกับสถานีภาคพื้นดินที่อยู่ห่างออกไป 16 ล้านกิโลเมตร สร้างสถิติใหม่ในการสื่อสารด้วยแสงในอวกาศ แล้วข้อดีของการสื่อสารแบบนี้คืออะไรการสื่อสารด้วยเลเซอร์จากหลักการทางเทคนิคและข้อกำหนดของภารกิจ จำเป็นต้องเอาชนะอุปสรรคอะไรบ้าง? โอกาสในการนำไปประยุกต์ใช้ในด้านการสำรวจอวกาศห้วงลึกในอนาคตเป็นอย่างไร?

ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี ไม่เกรงกลัวต่อความท้าทาย
การสำรวจอวกาศห้วงลึกเป็นภารกิจที่ท้าทายอย่างยิ่งสำหรับนักวิจัยอวกาศในการสำรวจจักรวาล ยานสำรวจต้องเดินทางข้ามอวกาศระหว่างดวงดาวอันไกลโพ้น เอาชนะสภาพแวดล้อมสุดขั้วและสภาวะที่ยากลำบาก รวบรวมและส่งข้อมูลที่มีค่า และเทคโนโลยีการสื่อสารมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่ง

แผนภาพโครงร่างของการสื่อสารด้วยเลเซอร์ในห้วงอวกาศลึกการทดลองระหว่างยานสำรวจดาวเทียมสปิริตและหอดูดาวภาคพื้นดิน

เมื่อวันที่ 13 ตุลาคม ยานสำรวจสปิริตถูกปล่อยขึ้นสู่อวกาศ เริ่มต้นการเดินทางสำรวจที่จะกินเวลาอย่างน้อยแปดปี ในช่วงเริ่มต้นภารกิจ ยานสำรวจได้ทำงานร่วมกับกล้องโทรทรรศน์เฮลที่หอดูดาวพาโลมาร์ในสหรัฐอเมริกา เพื่อทดสอบเทคโนโลยีการสื่อสารด้วยเลเซอร์ในห้วงอวกาศ โดยใช้การเข้ารหัสด้วยเลเซอร์อินฟราเรดใกล้เพื่อสื่อสารข้อมูลกับทีมงานบนโลก เพื่อจุดประสงค์นี้ เครื่องตรวจจับและอุปกรณ์สื่อสารด้วยเลเซอร์จำเป็นต้องเอาชนะความยากลำบากอย่างน้อยสี่ประเภท ได้แก่ ระยะทางที่ไกล การลดทอนและการรบกวนของสัญญาณ ข้อจำกัดของแบนด์วิดท์และเวลาหน่วง ข้อจำกัดด้านพลังงาน และปัญหาการระบายความร้อน ซึ่งสมควรได้รับการพิจารณา นักวิจัยได้คาดการณ์และเตรียมการสำหรับความยากลำบากเหล่านี้มานานแล้ว และได้ค้นพบเทคโนโลยีสำคัญหลายอย่าง ซึ่งเป็นการวางรากฐานที่ดีสำหรับยานสำรวจสปิริตในการดำเนินการทดลองการสื่อสารด้วยเลเซอร์ในห้วงอวกาศ
ประการแรก เครื่องตรวจจับ Spirit ใช้เทคโนโลยีการส่งข้อมูลความเร็วสูง โดยเลือกใช้ลำแสงเลเซอร์เป็นสื่อกลางในการส่งข้อมูล พร้อมด้วย...เลเซอร์กำลังสูงเครื่องส่งสัญญาณ โดยใช้ประโยชน์จากข้อดีของการส่งผ่านเลเซอร์อัตราเร็วและความเสถียรสูง โดยพยายามสร้างการเชื่อมต่อการสื่อสารด้วยเลเซอร์ในสภาพแวดล้อมอวกาศลึก
ประการที่สอง เพื่อปรับปรุงความน่าเชื่อถือและเสถียรภาพของการสื่อสาร เครื่องตรวจจับ Spirit ใช้เทคโนโลยีการเข้ารหัสที่มีประสิทธิภาพ ซึ่งสามารถบรรลุอัตราการส่งข้อมูลที่สูงขึ้นภายในแบนด์วิดท์ที่จำกัดโดยการปรับการเข้ารหัสข้อมูลให้เหมาะสม ในขณะเดียวกัน ก็สามารถลดอัตราข้อผิดพลาดของบิตและปรับปรุงความแม่นยำของการส่งข้อมูลโดยใช้เทคโนโลยีการเข้ารหัสแก้ไขข้อผิดพลาดล่วงหน้า
ประการที่สาม ด้วยความช่วยเหลือของเทคโนโลยีการจัดตารางเวลาและการควบคุมอัจฉริยะ โพรบจึงสามารถใช้ทรัพยากรการสื่อสารได้อย่างเหมาะสมที่สุด เทคโนโลยีนี้สามารถปรับโปรโตคอลการสื่อสารและอัตราการส่งข้อมูลโดยอัตโนมัติตามการเปลี่ยนแปลงของข้อกำหนดงานและสภาพแวดล้อมการสื่อสาร จึงมั่นใจได้ว่าผลลัพธ์การสื่อสารที่ดีที่สุดภายใต้สภาวะพลังงานที่จำกัด
สุดท้ายนี้ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการรับสัญญาณ ยานสำรวจสปิริตใช้เทคโนโลยีการรับสัญญาณแบบหลายลำแสง เทคโนโลยีนี้ใช้เสาอากาศรับสัญญาณหลายตัวมาจัดเรียงเป็นแถว ซึ่งสามารถเพิ่มความไวในการรับสัญญาณและความเสถียรของสัญญาณ และรักษาการเชื่อมต่อการสื่อสารที่เสถียรในสภาพแวดล้อมอวกาศลึกที่ซับซ้อนได้

ข้อดีนั้นชัดเจน แต่ซ่อนอยู่ในความลับ
ในโลกภายนอกนั้นไม่ใช่เรื่องยากที่จะพบว่า...เลเซอร์เลเซอร์เป็นองค์ประกอบหลักของการทดสอบการสื่อสารในห้วงอวกาศลึกของยานสำรวจสปิริต ดังนั้นเลเซอร์มีข้อดีเฉพาะอะไรบ้างที่ช่วยให้การสื่อสารในห้วงอวกาศลึกมีความก้าวหน้าอย่างมาก? ความลับคืออะไร?
ในอีกด้านหนึ่ง ความต้องการข้อมูลจำนวนมหาศาล ภาพความละเอียดสูง และวิดีโอสำหรับภารกิจสำรวจอวกาศห้วงลึกที่เพิ่มมากขึ้น ย่อมต้องการอัตราการส่งข้อมูลที่สูงขึ้นสำหรับการสื่อสารในอวกาศห้วงลึก เมื่อเผชิญกับระยะทางการส่งสัญญาณที่มักจะ "เริ่มต้น" ด้วยระยะทางหลายสิบล้านกิโลเมตร คลื่นวิทยุจึงค่อยๆ "หมดประสิทธิภาพ" ลง
แม้ว่าการสื่อสารด้วยเลเซอร์จะเข้ารหัสข้อมูลบนโฟตอน แต่เมื่อเปรียบเทียบกับคลื่นวิทยุแล้ว คลื่นแสงอินฟราเรดใกล้มีช่วงความยาวคลื่นที่แคบกว่าและความถี่สูงกว่า ทำให้สามารถสร้าง "ทางด่วน" ข้อมูลเชิงพื้นที่ที่มีการส่งข้อมูลที่มีประสิทธิภาพและราบรื่นยิ่งขึ้นได้ ประเด็นนี้ได้รับการตรวจสอบเบื้องต้นแล้วในการทดลองอวกาศในวงโคจรต่ำของโลกในช่วงแรก หลังจากใช้มาตรการปรับตัวที่เกี่ยวข้องและเอาชนะการรบกวนของชั้นบรรยากาศแล้ว อัตราการส่งข้อมูลของระบบสื่อสารด้วยเลเซอร์เคยสูงกว่าวิธีการสื่อสารแบบเดิมเกือบ 100 เท่า