Kappløpet om å overføre data ved hjelp av lasere.

Laserkommunikasjonsteknologi blir sett på som en ny tilkoblingsretning for neste generasjon av romutforskning.

Den raske økningen i antall satellitter gjør at lav jordbane blir stadig mer overfylt, noe som øker risikoen for kollisjoner og legger press på dataoverføringsinfrastrukturen ettersom radiospekteret blir overbelastet. I denne sammenhengen blir laserkommunikasjonsteknologi sett på som en ny tilkoblingsretning for neste generasjon av romutforskning.

Overbelastningsbane

De siste årene har antallet satellitter i bane rundt jorden økt i et svært raskt tempo. Med oppskytningen av Starlink-systemet i 2019 har SpaceX nå over 10 200 operative satellitter i bane. Den europeiske romfartsorganisasjonen (ESA) spår at innen utgangen av det neste tiåret kan omtrent 100 000 satellitter operere samtidig rundt jorden. De fleste nåværende satellitter bruker radiobølger for å overføre data til bakken. Dette er også teknologien som brukes til mobiltelefoner, Wi-Fi, Bluetooth og TV.

Radiobølger opptar imidlertid bare en liten brøkdel av det elektromagnetiske spekteret (spekteret av bølger og stråling som finnes i naturen). Den delen av radiofrekvensspekteret som kan utnyttes til kommunikasjon er begrenset og må derfor forvaltes og tildeles av Den internasjonale telekommunikasjonsunionen (ITU).

Barry Evans, professor i satellittkommunikasjon ved University of Surrey (Storbritannia), sa at spektrumoverbelastning begynner å oppstå når flere og flere satellittsystemer opererer på de samme frekvensbåndene.

For eksempel bruker både Starlink og Eutelsat OneWeb Ku-båndet (omtrent 11–14 gigahertz) til å overføre data til bakken, noe som øker risikoen for interferens og signaloverlapping. Selskaper må nå koordinere spektrumdeling eller justere signaloverføringstider, men eksperter mener dette bare er en midlertidig løsning.

Illustrasjonsbilde av optisk kommunikasjon. Foto: Frontllynk

Satellitter som opererer i forskjellige høyder kan også forårsake signalforstyrrelser. For eksempel, når en bakkestasjon mottar et signal fra OneWeb i en høyde på omtrent 1200 km, kan en Starlink-satellitt som flyr lavere, rundt 500 km, forårsake midlertidig forstyrrelse hvis den passerer gjennom dekningsområdet. Dette fenomenet kalles In-Line Events. I sammenheng med raskt økende data fra rommet, anses radiobølger som usannsynlige for å dekke de langsiktige behovene for høyoppløselig videooverføring , sensordata og globalt satellittinternett.

Teknisk utfordring

Stilt overfor dette presset går romfartsindustrien over til å utnytte lasere for dataoverføring. I motsetning til radiobølger, som forplanter seg vidt i rommet, beveger lasere seg i svært smale stråler, noe som gjør dem praktisk talt immune mot interferens fra andre systemer, og dermed øker dataoverføringshastighetene og forbedrer sikkerheten.

Dalius Petrolionis, medgründer og teknisk direktør i Astrolight (Litauen), sa at mange neste generasjons satellitter nå integrerer laserkoblinger. I Starlink-nettverket overføres data mellom satellitter allerede via laser i noen rombaserte forbindelser. Laserkommunikasjon fra satellitter til bakken er imidlertid fortsatt en stor teknisk utfordring fordi lasere er svært følsomme for atmosfæriske forhold. Skyer, tåke, vanndamp eller temperatursvingninger i luften kan alle forvrenge signalet.

For å overvinne denne begrensningen utvikler selskaper systemer for optisk interferenskompensasjon (AO), som lar laserstrålen justere seg selv til atmosfæriske svingninger i sanntid. Disse systemene inkluderer vanligvis bølgefrontsensorer for å måle signalforvrengning, forvrengningsspeil for å korrigere laserstrålen og en høyhastighets kontrolldatamaskin.

Ifølge NASA bruker noen systemer til og med to typer tøyningsspeil som opererer parallelt, der det ene speilet håndterer store, langsomme deformasjoner, og det andre håndterer små, raske svingninger. Kontrollerne må gjøre omtrent 100–1000 justeringer per sekund.

I en 5 Gbps laserdataoverføringstest reduserte AO-systemet, som består av 137 kontrollelementer, datafeilraten til under 10⁻⁶, tilsvarende mindre enn 1 feil per million bits med data, og eliminerte praktisk talt alle betydelige avvik.

I tillegg til signalforvrengning må laseroverføringssystemer også håndtere fluktuerende lysintensitet på grunn av atmosfærisk turbulens. Noen laseroverføringsnettverk bruker kunstige laserstjerner for å lage referansepunkter, noe som bidrar til å måle nivået av atmosfærisk turbulens nøyaktig. I tillegg til optisk maskinvare bruker selskaper også AI og maskinlæringsalgoritmer for å redusere kostnader og øke hastigheten på signalbehandlingen.

NASA testet nylig et vellykket laserkommunikasjonssystem på Orion-romfartøyet, en del av Artemis II-programmet, som overfører over 100 GB data fra nær Månen tilbake til Jorden. I mellomtiden bygger Astrolight, et litauisk romteknologiselskap, sin første optiske bakkestasjon på Grønland med støtte fra ESA, og har skutt opp tre eksperimentelle lasersendere i bane.

Optisk kommunikasjon, også kjent som laserkommunikasjon, bruker infrarøde stråler i stedet for tradisjonelle radiobølger for å sende data mellom satellitter eller fra satellitter til bakken. Denne teknologien muliggjør høyere dataoverføringshastigheter, lavere strømforbruk og praktisk talt ingen signalforstyrrelser.

VIET ANH-samling

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