Цивилизация
Хрестоматийное изображение, закодированное в серии световых импульсов, проделало путь от лазерного передатчика в Годдардовском центре космических полетов в Гринбелте до лазерного альтиметра LOLA, установленного на борту лунного орбитального зонда NASA (Lunar Reconnaissance Orbiter, LRO). LOLA используется для составления карты лунных высот и сверхточного топографирования лунной поверхности, а также как приемник, позволяющий постоянно отслеживать положение зонда посредством посылаемых с Земли лазерных импульсов.
Лазерный альтиметр — измерительный инструмент, не предназначенный для приема и передачи информации, но инженеры NASA решили провести эксперимент и попробовали использовать его в качестве коммуникационного устройства, организовав первый в истории лазерный сеанс связи с аппаратом, находящимся на неземной орбите.
Для связи, а также для слежения за космическими аппаратами используются исключительно радиоволны: лазерное слежение и связь не вышли за рамки отдельных экспериментов, да и то с участием спутников, находящихся на земной орбите. Сейчас орбитальный зонд LRO — единственный аппарат на неземной орбите, положение которого отслеживается с помощью земного лазера, и в NASA решили использовать такую возможность, чтобы испытать технологию, которая в будущем, возможно, свяжет между собой спутники, дублируя радиосвязь во время солнечных вспышек и в случае отказов оборудования.
Существенным преимуществом оптической связи является высокая скорость передачи данных, позволяющая быстро передавать большие пакеты сильно сжатой информации, а также защита от прослушивания.
Впрочем, если перехватить переданный на лунную орбиту оцифрованный портрет Моны Лизы потенциальным злоумышленникам было и впрямь практически невозможно, то скорость передачи изображения — 300 бит в секунду — находилась в пределах скромных технических возможностей импульсного лазерного дальномера, установленного на LRO.
Принцип действия импульсного лазерного дальномера основан на точном измерении времени, которое световой луч тратит на путь до отражающей поверхности и обратно: расстояние между лазером и отражающим объектом рассчитывается по простой формуле, посредством деления скорости света в вакууме на время прохождения импульса (также могут вводиться поправки на показатель преломления среды). Собственно, информация, переданная на LRO с помощью лазера, кодировалась не в виде последовательности импульс есть/импульса нет (условные 0 и 1), а с помощью световых импульсов различной длительности: сначала изображение было наложено на сетку размером 152х200 пикселей, далее каждый пиксель получил свою градацию серого в диапазоне значений от 0 до 4095, а каждому значение соответствовал световой импульс определенной длительности.
Передача импульсов не мешала выполнению основной миссии LRO и происходила в коротких промежутках между рабочими сессиями слежения и лазерной локации Луны.
Переданные с Земли световые сигналы были приняты лазерным альтиметром, записаны, реконструированы бортовым компьютером и переданы на Землю уже посредством радиотелеметрии, так как мощности бортового лазера LRO для обратного сеанса связи было недостаточно.
Заранее предусмотрев, что из-за возмущений земной атмосферы часть сигналов будет искажена или потеряна (оценить потери можно, сравнив изображения Моны Лизы до и после коррекции ошибок — см. рисунок), специалисты NASA использовали стандартный алгоритм исправления ошибок, применяемый в бытовых лазерных проигрывателях. Впрочем, собранная во время первого сеанса дальней лазерной космической связи статистика ошибок также пойдет в дело при разработке будущих устройств для космической лазерной коммуникации, одно из которых (уже позволяющее вести двусторонние сеансы связи) будет установлено на лунном зонде NASA следующего поколения.