Gwałtowny wzrost liczby satelitów powoduje, że niska orbita okołoziemska staje się coraz bardziej zatłoczona, co zwiększa ryzyko kolizji i wywiera presję na infrastrukturę transmisji danych, ponieważ pasmo radiowe staje się przeciążone. W tym kontekście technologia komunikacji laserowej jest postrzegana jako nowy kierunek rozwoju łączności dla kolejnej generacji eksploracji kosmosu.
Trajektoria przeciążenia
W ostatnich latach liczba satelitów krążących wokół Ziemi wzrosła w bardzo szybkim tempie. Wraz z uruchomieniem systemu Starlink w 2019 roku, SpaceX ma obecnie ponad 10 200 działających satelitów na orbicie. Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) przewiduje, że do końca następnej dekady wokół Ziemi może działać jednocześnie około 100 000 satelitów. Większość obecnych satelitów wykorzystuje fale radiowe do przesyłania danych na Ziemię. Technologia ta jest również wykorzystywana w telefonach komórkowych, Wi-Fi, Bluetooth i telewizji.
Fale radiowe zajmują jednak jedynie niewielką część widma elektromagnetycznego (zakresu fal i promieniowania występującego w naturze). Część widma częstotliwości radiowych, którą można wykorzystać do komunikacji, jest ograniczona i dlatego musi być zarządzana i przydzielana przez Międzynarodowy Związek Telekomunikacyjny (ITU).
Barry Evans, profesor komunikacji satelitarnej na Uniwersytecie w Surrey (Wielka Brytania), powiedział, że przeciążenie widma zaczyna występować w momencie, gdy coraz więcej systemów satelitarnych działa na tym samym paśmie częstotliwości.
Na przykład Starlink i Eutelsat OneWeb wykorzystują pasmo Ku (około 11-14 gigaherców) do transmisji danych na Ziemię, co zwiększa ryzyko zakłóceń i nakładania się sygnałów. Firmy muszą teraz koordynować współdzielenie pasma lub dostosowywać czas transmisji sygnału, ale eksperci uważają, że to tylko tymczasowe rozwiązanie.
Satelity działające na różnych wysokościach również mogą powodować zakłócenia sygnału. Na przykład, gdy stacja naziemna odbiera sygnał z OneWeb na wysokości około 1200 km, satelita Starlink lecący niżej, około 500 km, może powodować tymczasowe zakłócenia, jeśli przelatuje przez obszar zasięgu. Zjawisko to nazywa się zdarzeniami liniowymi (in-line events). W kontekście szybko rosnącej ilości danych z kosmosu, fale radiowe prawdopodobnie nie będą w stanie w wystarczającym stopniu zaspokoić długoterminowego zapotrzebowania na transmisję wideo o wysokiej rozdzielczości, dane z czujników i globalny internet satelitarny.
Wyzwanie techniczne
W obliczu tej presji, przemysł kosmiczny przechodzi na wykorzystanie laserów do transmisji danych. W przeciwieństwie do fal radiowych, które rozchodzą się szeroko w kosmosie, lasery poruszają się w bardzo wąskich wiązkach, co czyni je praktycznie odpornymi na zakłócenia ze strony innych systemów, zwiększając tym samym prędkość transmisji danych i poprawiając bezpieczeństwo.
Dalius Petrolionis, współzałożyciel i dyrektor techniczny firmy Astrolight (Litwa), powiedział, że wiele satelitów nowej generacji integruje obecnie łącza laserowe. W sieci Starlink dane między satelitami są już przesyłane laserowo w niektórych połączeniach kosmicznych. Jednak komunikacja laserowa między satelitami a Ziemią pozostaje poważnym wyzwaniem technicznym, ponieważ lasery są bardzo wrażliwe na warunki atmosferyczne. Chmury, mgła, para wodna czy wahania temperatury w powietrzu mogą zniekształcać sygnał.
Aby pokonać to ograniczenie, firmy opracowują systemy kompensacji zakłóceń optycznych (AO), które umożliwiają wiązce laserowej samoczynną regulację w czasie rzeczywistym w zależności od wahań atmosferycznych. Systemy te zazwyczaj zawierają czujniki czoła fali do pomiaru zniekształceń sygnału, lustra dystorsyjne do korekcji wiązki laserowej oraz szybki komputer sterujący.
Według NASA, niektóre systemy wykorzystują nawet dwa rodzaje luster naprężeniowych działających równolegle, gdzie jedno lustro odpowiada za duże, powolne odkształcenia, a drugie za małe, szybkie oscylacje. Kontrolery muszą wykonywać około 100–1000 korekt na sekundę.
W teście transmisji danych laserowych o przepustowości 5 Gb/s system AO, składający się ze 137 elementów sterujących, obniżył współczynnik błędów danych do wartości poniżej 10⁻⁶, co odpowiada mniej niż 1 błędowi na milion bitów danych, co praktycznie wyeliminowało wszelkie znaczące rozbieżności.
Oprócz zniekształceń sygnału, laserowe systemy transmisyjne muszą również radzić sobie ze zmiennym natężeniem światła spowodowanym turbulencjami atmosferycznymi. Niektóre sieci transmisyjne wykorzystują sztuczne gwiazdy laserowe do tworzenia punktów odniesienia, co pomaga w dokładnym pomiarze poziomu turbulencji atmosferycznych. Oprócz sprzętu optycznego, firmy stosują również algorytmy sztucznej inteligencji i uczenia maszynowego, aby obniżyć koszty i przyspieszyć przetwarzanie sygnału.
NASA niedawno z powodzeniem przetestowała system komunikacji laserowej na statku kosmicznym Orion, będącym częścią programu Artemis II, przesyłając ponad 100 GB danych z okolic Księżyca na Ziemię. Tymczasem Astrolight, litewska firma zajmująca się technologiami kosmicznymi, buduje swoją pierwszą optyczną stację naziemną na Grenlandii przy wsparciu ESA i umieściła na orbicie trzy eksperymentalne nadajniki laserowe.
Komunikacja optyczna, znana również jako komunikacja laserowa, wykorzystuje promieniowanie podczerwone zamiast tradycyjnych fal radiowych do przesyłania danych między satelitami lub z satelitów na Ziemię. Technologia ta zapewnia wyższą prędkość transmisji danych, niższe zużycie energii i praktycznie brak zakłóceń sygnału.
Źródło: https://www.sggp.org.vn/cuoc-dua-truyen-du-lieu-bang-tia-laser-post854231.html
Komentarz (0)