De race om data te verzenden met behulp van lasers.

Lasercommunicatietechnologie wordt gezien als een nieuwe verbindingsrichting voor de volgende generatie ruimteverkenning.

De snelle toename van satellieten zorgt voor een steeds grotere drukte in de lage aardbaan, waardoor het risico op botsingen toeneemt en de datatransmissie-infrastructuur onder druk komt te staan ​​doordat het radiospectrum overbelast raakt. In deze context wordt lasercommunicatietechnologie gezien als een nieuwe connectiviteitsrichting voor de volgende generatie ruimteverkenning.

Overbelastingstraject

De afgelopen jaren is het aantal satellieten dat rond de aarde draait in een zeer snel tempo toegenomen. Met de lancering van het Starlink-systeem in 2019 heeft SpaceX nu meer dan 10.200 operationele satellieten in een baan om de aarde. De Europese Ruimtevaartorganisatie ESA voorspelt dat er tegen het einde van het volgende decennium ongeveer 100.000 satellieten tegelijkertijd rond de aarde operationeel zouden kunnen zijn. De meeste huidige satellieten gebruiken radiogolven om gegevens naar de grond te verzenden. Dit is ook de technologie die wordt gebruikt voor mobiele telefoons, wifi, Bluetooth en televisie.

Radiogolven beslaan echter slechts een klein deel van het elektromagnetische spectrum (het bereik van golven en stralingen die in de natuur voorkomen). Het gedeelte van het radiofrequentiespectrum dat voor communicatie kan worden gebruikt, is beperkt en moet daarom worden beheerd en toegewezen door de Internationale Telecommunicatie Unie (ITU).

Barry Evans, hoogleraar satellietcommunicatie aan de Universiteit van Surrey (VK), zei dat spectrumoverbelasting begint op te treden wanneer steeds meer satellietsystemen op dezelfde frequentiebanden opereren.

Zo gebruiken Starlink en Eutelsat OneWeb beide de Ku-band (ongeveer 11-14 gigahertz) om data naar de grond te verzenden, waardoor het risico op interferentie en signaaloverlapping toeneemt. Bedrijven moeten nu het spectrumgebruik coördineren of de zendtijden van de signalen aanpassen, maar experts denken dat dit slechts een tijdelijke oplossing is.

Illustratieve afbeelding van optische communicatie. Foto: Frontllynk

Satellieten die op verschillende hoogtes opereren, kunnen ook signaalinterferentie veroorzaken. Wanneer een grondstation bijvoorbeeld een signaal van OneWeb ontvangt op een hoogte van ongeveer 1200 km, kan een Starlink-satelliet die lager vliegt, op ongeveer 500 km, tijdelijke interferentie veroorzaken als deze door het dekkingsgebied vliegt. Dit fenomeen wordt 'inline events' genoemd. Gezien de snel toenemende hoeveelheid data uit de ruimte, wordt het onwaarschijnlijk geacht dat radiogolven op de lange termijn adequaat zullen voldoen aan de eisen voor videotransmissie met hoge resolutie, sensorgegevens en een wereldwijd satellietinternet.

Technische uitdaging

Onder deze druk schakelt de ruimtevaartindustrie over op het gebruik van lasers voor gegevensoverdracht. In tegenstelling tot radiogolven, die zich breed verspreiden in de ruimte, bewegen lasers in zeer smalle bundels, waardoor ze vrijwel ongevoelig zijn voor interferentie van andere systemen. Dit leidt tot hogere gegevensoverdrachtssnelheden en een verbeterde beveiliging.

Dalius Petrolionis, medeoprichter en CTO van Astrolight (Litouwen), zei dat veel satellieten van de volgende generatie nu laserverbindingen integreren. In het Starlink-netwerk worden gegevens tussen satellieten al via laser verzonden in sommige ruimteverbindingen. Lasercommunicatie van satellieten naar de grond blijft echter een grote technische uitdaging, omdat lasers erg gevoelig zijn voor atmosferische omstandigheden. Wolken, mist, waterdamp of temperatuurschommelingen in de lucht kunnen het signaal allemaal verstoren.

Om deze beperking te overkomen, ontwikkelen bedrijven optische interferentiecompensatiesystemen (AO-systemen), waarmee de laserstraal zich in realtime kan aanpassen aan atmosferische schommelingen. Deze systemen omvatten doorgaans golffrontsensoren om signaalvervorming te meten, vervormingsspiegels om de laserstraal te corrigeren en een snelle besturingscomputer.

Volgens NASA gebruiken sommige systemen zelfs twee soorten rekspiegels die parallel werken, waarbij de ene spiegel grote, langzame vervormingen registreert en de andere kleine, snelle trillingen. De controllers moeten ongeveer 100 tot 1000 aanpassingen per seconde uitvoeren.

Bij een test met laserdatatransmissie van 5 Gbps wist het AO-systeem, bestaande uit 137 besturingselementen, de datafoutfrequentie te verlagen tot onder de 10⁻⁶, oftewel minder dan 1 fout per miljoen bits data, waardoor significante afwijkingen vrijwel volledig werden geëlimineerd.

Naast signaalvervorming moeten lasertransmissiesystemen ook omgaan met fluctuerende lichtintensiteit als gevolg van atmosferische turbulentie. Sommige lasertransmissienetwerken gebruiken kunstmatige lasersterren om referentiepunten te creëren, waardoor de mate van atmosferische turbulentie nauwkeurig kan worden gemeten. Naast optische hardware passen bedrijven ook AI- en machine learning-algoritmen toe om kosten te verlagen en de signaalverwerking te versnellen.

NASA heeft onlangs met succes een lasercommunicatiesysteem getest op het Orion-ruimtevaartuig, onderdeel van het Artemis II-programma, waarbij meer dan 100 GB aan data vanuit de omgeving van de maan naar de aarde werd verzonden. Ondertussen bouwt Astrolight, een Litouws ruimtevaarttechnologiebedrijf, met steun van ESA zijn eerste optische grondstation in Groenland en heeft het drie experimentele laserzenders in een baan om de aarde gebracht.

Optische communicatie, ook wel lasercommunicatie genoemd, maakt gebruik van infraroodstralen in plaats van traditionele radiogolven om gegevens tussen satellieten of van satellieten naar de grond te verzenden. Deze technologie maakt hogere gegevensoverdrachtssnelheden, een lager energieverbruik en vrijwel geen signaalinterferentie mogelijk.

VIET ANH compilatie

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