Как LADEE и LDRC измерили расстояние от лунной орбиты до Земли с точностью до 1 сантиметра, используя оптическую связь?

В случае оптической связи мы не имеем дело с электромагнитными волнами, которые собираются в антенне при смехотворно низком уровне мощности, усиливаются на много порядков, а затем их необходимо сопоставить с известной формой сигнала, чтобы извлечь из него значимую информацию. обильный шум.

В оптических каналах связи (здесь: инфракрасный свет с длиной волны 1500 нм) каждый фотон, полученный телескопом, несет достаточно энергии, чтобы его можно было обнаружить по отдельности, а его собственное время прибытия можно определить с точностью до нескольких десятков пикосекунд.

Но давайте сделаем шаг назад, в духе Боросона и др. в «Демонстрации лунной лазерной связи (LLCD)»: Лазер на LADEE передает данные со скоростью до 622 Мбит / с, используя лазерную модуляцию на частоте 3 ГГц, которая генерирует световые импульсы длительностью 300 пс. На стороне приемника свет обнаруживается с помощью детекторов одиночных фотонов на основе сверхпроводящих нанопроводов (SNSPD), которые предоставляют информацию о времени с точностью до 30 пс. Они сделаны из сверхпроводящего материала, который всякий раз, когда на него попадает фотон и поглощает его, на короткое время теряет сверхпроводимость, что может быть обнаружено чувствительной электроникой, измеряющей падение напряжения на проводе.

Благодаря этой возможности измерения времени весь процесс измерения сводится к отправке короткого битового потока и измерению времени до его возвращения со спутника. Один фотон (который принадлежит известному биту в потоке) уже дает вам точность 150 пс (поскольку неизвестно, когда именно он был отправлен во время импульса длиной 300 пс) или точность расстояния 10 см. Продолжение измерения для следующей пары тысяч фотонов (т. е. максимум несколько микросекунд) снижает неопределенность за счет усреднения до заявленной точности в 1 см.

Одна вещь, которой не хватает в приведенном выше описании, это тот факт, что время, необходимое спутнику между получением бита и отправкой ответа, также должно быть известно с высокой точностью. Для этого есть две возможности: либо он измеряет это время, используя тот же принцип, что и для наземной станции, либо спутник использует расширенный битовый поток для восстановления тактового сигнала и использует его для своего передатчика, поэтому отправка с фиксированным и заданная задержка.

Доплеровское измерение для получения радиальной составляющей скорости также может быть выполнено на основе модуляции 3 ГГц, но из-за очень короткого времени измерения дальности, скорее всего, оно не требуется — оно также может быть заменено несколькими последующими измерениями дальности.