رقابت برای انتقال داده‌ها با استفاده از لیزر

فناوری ارتباطات لیزری به عنوان یک مسیر ارتباطی جدید برای نسل بعدی اکتشافات فضایی دیده می‌شود.

افزایش سریع ماهواره‌ها، مدار پایین زمین را به طور فزاینده‌ای شلوغ می‌کند، خطر برخورد را افزایش می‌دهد و با اشباع شدن طیف رادیویی، فشار بر زیرساخت‌های انتقال داده را افزایش می‌دهد. در این زمینه، فناوری ارتباطات لیزری به عنوان یک مسیر ارتباطی جدید برای نسل بعدی اکتشافات فضایی دیده می‌شود.

مسیر اضافه بار

در سال‌های اخیر، تعداد ماهواره‌هایی که به دور زمین می‌چرخند با سرعت بسیار زیادی افزایش یافته است. با راه‌اندازی سیستم استارلینک در سال ۲۰۱۹، اسپیس‌ایکس اکنون بیش از ۱۰۲۰۰ ماهواره عملیاتی در مدار دارد. آژانس فضایی اروپا (ESA) پیش‌بینی می‌کند که تا پایان دهه آینده، تقریباً ۱۰۰۰۰۰ ماهواره می‌توانند به طور همزمان در اطراف زمین فعالیت کنند. اکثر ماهواره‌های فعلی از امواج رادیویی برای انتقال داده‌ها به زمین استفاده می‌کنند. این فناوری همچنین برای تلفن‌های همراه، وای‌فای، بلوتوث و تلویزیون استفاده می‌شود.

با این حال، امواج رادیویی تنها بخش کوچکی از طیف الکترومغناطیسی (محدوده امواج و تشعشعاتی که در طبیعت وجود دارند) را اشغال می‌کنند. بخشی از طیف فرکانس رادیویی که می‌تواند برای ارتباطات مورد استفاده قرار گیرد، محدود است و بنابراین باید توسط اتحادیه بین‌المللی مخابرات (ITU) مدیریت و تخصیص داده شود.

بری ایوانز، استاد ارتباطات ماهواره‌ای در دانشگاه سوری (بریتانیا)، گفت که اضافه بار طیف زمانی شروع می‌شود که سیستم‌های ماهواره‌ای بیشتر و بیشتری روی باندهای فرکانسی یکسان کار کنند.

برای مثال، استارلینک و یوتلست وان‌وب هر دو از باند Ku (تقریباً ۱۱-۱۴ گیگاهرتز) برای انتقال داده‌ها به زمین استفاده می‌کنند که خطر تداخل و همپوشانی سیگنال را افزایش می‌دهد. اکنون شرکت‌ها باید اشتراک‌گذاری طیف را هماهنگ کنند یا زمان‌های انتقال سیگنال را تنظیم کنند، اما کارشناسان معتقدند که این تنها یک راه حل موقت است.

تصویر نمایشی از ارتباط نوری. عکس: Frontllynk

ماهواره‌هایی که در ارتفاعات مختلف کار می‌کنند نیز می‌توانند باعث تداخل سیگنال شوند. به عنوان مثال، هنگامی که یک ایستگاه زمینی سیگنالی از OneWeb در ارتفاع حدود ۱۲۰۰ کیلومتری دریافت می‌کند، یک ماهواره Starlink که در ارتفاع پایین‌تر، حدود ۵۰۰ کیلومتری، پرواز می‌کند، در صورت عبور از منطقه پوشش، می‌تواند باعث تداخل موقت شود. این پدیده رویدادهای درون خطی نامیده می‌شود. در زمینه افزایش سریع داده‌ها از فضا، بعید به نظر می‌رسد که امواج رادیویی بتوانند به طور کافی نیازهای بلندمدت برای انتقال ویدیوی با وضوح بالا، داده‌های حسگر و اینترنت ماهواره‌ای جهانی را برآورده کنند.

چالش فنی

در مواجهه با این فشار، صنعت فضایی در حال تغییر به استفاده از لیزر برای انتقال داده‌ها است. برخلاف امواج رادیویی که به طور گسترده در فضا منتشر می‌شوند، لیزرها در پرتوهای بسیار باریک حرکت می‌کنند و همین امر آنها را عملاً در برابر تداخل با سایر سیستم‌ها مصون می‌کند و در نتیجه سرعت انتقال داده‌ها را افزایش داده و امنیت را بهبود می‌بخشد.

دالیوس پترولیونیس، یکی از بنیانگذاران و مدیر ارشد فناوری شرکت Astrolight (لیتوانی)، گفت که بسیاری از ماهواره‌های نسل بعدی اکنون پیوندهای لیزری را ادغام می‌کنند. در شبکه Starlink، داده‌ها بین ماهواره‌ها از طریق لیزر در برخی از اتصالات مبتنی بر فضا منتقل می‌شوند. با این حال، ارتباط لیزری از ماهواره‌ها به زمین همچنان یک چالش فنی بزرگ است زیرا لیزرها به شرایط جوی بسیار حساس هستند. ابرها، مه، بخار آب یا نوسانات دما در هوا همگی می‌توانند سیگنال را تحریف کنند.

برای غلبه بر این محدودیت، شرکت‌ها در حال توسعه سیستم‌های جبران تداخل نوری (AO) هستند که به پرتو لیزر اجازه می‌دهد تا خود را با نوسانات جوی در زمان واقعی تنظیم کند. این سیستم‌ها معمولاً شامل حسگرهای جبهه موج برای اندازه‌گیری اعوجاج سیگنال، آینه‌های اعوجاج برای اصلاح پرتو لیزر و یک کامپیوتر کنترل پرسرعت هستند.

طبق گفته ناسا، برخی سیستم‌ها حتی از دو نوع آینه کرنشی استفاده می‌کنند که به صورت موازی کار می‌کنند، جایی که یک آینه تغییر شکل‌های بزرگ و آهسته و دیگری نوسانات کوچک و سریع را کنترل می‌کند. کنترل‌کننده‌ها باید تقریباً ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ تنظیم در ثانیه انجام دهند.

در یک آزمایش انتقال داده لیزری ۵ گیگابیت بر ثانیه، سیستم AO، شامل ۱۳۷ عنصر کنترلی، نرخ خطای داده را به زیر ۱۰⁻⁶ کاهش داد، که معادل کمتر از ۱ خطا در هر میلیون بیت داده است و عملاً هرگونه اختلاف قابل توجهی را از بین می‌برد.

علاوه بر اعوجاج سیگنال، سیستم‌های انتقال لیزر باید نوسانات شدت نور ناشی از تلاطم جوی را نیز مدیریت کنند. برخی از شبکه‌های انتقال لیزر از ستاره‌های لیزری مصنوعی برای ایجاد نقاط مرجع استفاده می‌کنند و به اندازه‌گیری دقیق سطح تلاطم جوی کمک می‌کنند. علاوه بر سخت‌افزار نوری، شرکت‌ها از الگوریتم‌های هوش مصنوعی و یادگیری ماشینی نیز برای کاهش هزینه‌ها و سرعت بخشیدن به پردازش سیگنال استفاده می‌کنند.

ناسا اخیراً با موفقیت یک سیستم ارتباط لیزری را روی فضاپیمای اوریون، بخشی از برنامه آرتمیس ۲، آزمایش کرد و بیش از ۱۰۰ گیگابایت داده را از نزدیکی ماه به زمین منتقل کرد. در همین حال، استرولایت، یک شرکت فناوری فضایی لیتوانیایی، با پشتیبانی ESA در حال ساخت اولین ایستگاه زمینی نوری خود در گرینلند است و سه فرستنده لیزری آزمایشی را به مدار پرتاب کرده است.

ارتباط نوری که با نام ارتباط لیزری نیز شناخته می‌شود، به جای امواج رادیویی سنتی، از پرتوهای مادون قرمز برای ارسال داده‌ها بین ماهواره‌ها یا از ماهواره‌ها به زمین استفاده می‌کند. این فناوری امکان سرعت انتقال داده بالاتر، مصرف برق کمتر و عملاً عدم تداخل سیگنال را فراهم می‌کند.

مجموعه ویتنامی ANH

منبع: https://www.sggp.org.vn/cuoc-dua-truyen-du-lieu-bang-tia-laser-post854231.html