Стремительный рост числа спутников приводит к всё большей перегруженности низкой околоземной орбиты, повышая риск столкновений и создавая дополнительную нагрузку на инфраструктуру передачи данных из-за перегрузки радиочастотного спектра. В этом контексте лазерная связь рассматривается как новое направление в области обеспечения связи для следующего поколения космических исследований.
Траектория перегрузки
В последние годы количество спутников, вращающихся вокруг Земли, увеличилось очень быстрыми темпами. С запуском системы Starlink в 2019 году у SpaceX на орбите находится более 10 200 действующих спутников. Европейское космическое агентство (ESA) прогнозирует, что к концу следующего десятилетия вокруг Земли одновременно могут работать около 100 000 спутников. Большинство современных спутников используют радиоволны для передачи данных на Землю. Эта технология также используется в мобильных телефонах, Wi-Fi, Bluetooth и телевидении.
Однако радиоволны занимают лишь небольшую часть электромагнитного спектра (диапазона волн и излучений, существующих в природе). Доля радиочастотного спектра, пригодная для использования в целях связи, ограничена и поэтому должна управляться и распределяться Международным союзом электросвязи (МСЭ).
Барри Эванс, профессор спутниковой связи в Университете Суррея (Великобритания), заявил, что перегрузка спектра начинает возникать, когда все больше и больше спутниковых систем работают в одном и том же частотном диапазоне.
Например, Starlink и Eutelsat OneWeb используют Ku-диапазон (приблизительно 11-14 гигагерц) для передачи данных на землю, что увеличивает риск помех и наложения сигналов. Теперь компаниям приходится координировать совместное использование спектра или корректировать время передачи сигналов, но эксперты считают, что это лишь временное решение.
Спутники, работающие на разных высотах, также могут вызывать помехи сигнала. Например, когда наземная станция принимает сигнал от OneWeb на высоте около 1200 км, спутник Starlink, летящий ниже, примерно на высоте 500 км, может вызвать временные помехи, если он пройдет через зону покрытия. Это явление называется линейными помехами. В контексте быстрого роста объемов данных из космоса радиоволны считаются маловероятными для адекватного удовлетворения долгосрочных потребностей в передаче видео высокого разрешения, данных с датчиков и глобальном спутниковом интернете.
Техническая задача
В условиях такого давления космическая отрасль переходит к использованию лазеров для передачи данных. В отличие от радиоволн, которые широко распространяются в космосе, лазеры распространяются очень узкими лучами, что делает их практически невосприимчивыми к помехам от других систем, тем самым увеличивая скорость передачи данных и повышая безопасность.
Далиус Петролионис, соучредитель и технический директор компании Astrolight (Литва), заявил, что многие спутники следующего поколения уже интегрируют лазерные каналы связи. В сети Starlink передача данных между спутниками уже осуществляется с помощью лазера в некоторых космических системах связи. Однако лазерная связь со спутников на Землю остается серьезной технической проблемой, поскольку лазеры очень чувствительны к атмосферным условиям. Облака, туман, водяной пар или колебания температуры воздуха могут искажать сигнал.
Для преодоления этого ограничения компании разрабатывают системы компенсации оптических помех (АО), которые позволяют лазерному лучу в реальном времени самостоятельно корректировать свои параметры в соответствии с атмосферными колебаниями. Эти системы обычно включают в себя датчики волнового фронта для измерения искажений сигнала, зеркала для коррекции искажений лазерного луча и высокоскоростной управляющий компьютер.
По данным НАСА, в некоторых системах даже используются два типа тензометрических зеркал, работающих параллельно: одно зеркало обрабатывает большие, медленные деформации, а другое — малые, быстрые колебания. Контроллерам приходится производить примерно 100-1000 корректировок в секунду.
В ходе теста на передачу лазерных данных со скоростью 5 Гбит/с система адаптивной оптики, состоящая из 137 элементов управления, снизила частоту ошибок передачи данных до уровня ниже 10⁻⁶, что эквивалентно менее чем 1 ошибке на миллион бит данных, практически исключив любые существенные расхождения.
Помимо искажения сигнала, лазерные системы передачи также должны справляться с колебаниями интенсивности света, вызванными атмосферной турбулентностью. Некоторые лазерные сети передачи используют искусственные лазерные звезды для создания опорных точек, что помогает точно измерять уровень атмосферной турбулентности. Помимо оптического оборудования, компании также применяют алгоритмы искусственного интеллекта и машинного обучения для снижения затрат и ускорения обработки сигналов.
Недавно НАСА успешно протестировало лазерную систему связи на космическом корабле «Орион», входящем в программу «Артемида II», передав более 100 ГБ данных из окрестностей Луны на Землю. Тем временем литовская компания Astrolight, занимающаяся космическими технологиями, при поддержке ЕКА строит свою первую наземную оптическую станцию в Гренландии и запустила на орбиту три экспериментальных лазерных передатчика.
Оптическая связь, также известная как лазерная связь, использует инфракрасные лучи вместо традиционных радиоволн для передачи данных между спутниками или со спутников на Землю. Эта технология позволяет достигать более высоких скоростей передачи данных, снижать энергопотребление и практически полностью исключать помехи сигнала.
Источник: https://www.sggp.org.vn/cuoc-dua-truyen-du-lieu-bang-tia-laser-post854231.html
Комментарий (0)