Швидке збільшення кількості супутників робить низьку навколоземну орбіту дедалі більш перевантаженою, підвищуючи ризик зіткнень і створюючи тиск на інфраструктуру передачі даних, оскільки радіочастотний спектр перевантажується. У цьому контексті технологія лазерного зв'язку розглядається як новий напрямок зв'язку для наступного покоління космічних досліджень.
Траєкторія перевантаження
В останні роки кількість супутників, що обертаються навколо Землі, зростала дуже швидкими темпами. З запуском системи Starlink у 2019 році SpaceX тепер має понад 10 200 робочих супутників на орбіті. Європейське космічне агентство (ESA) прогнозує, що до кінця наступного десятиліття приблизно 100 000 супутників можуть одночасно працювати навколо Землі. Більшість сучасних супутників використовують радіохвилі для передачі даних на Землю. Ця технологія також використовується для мобільних телефонів, Wi-Fi, Bluetooth та телебачення.
Однак радіохвилі займають лише невелику частину електромагнітного спектру (діапазон хвиль та випромінювань, що існують у природі). Частина радіочастотного спектру, яка може бути використана для зв'язку, обмежена, і тому повинна управлятися та розподілятися Міжнародним союзом електрозв'язку (МСЕ).
Баррі Еванс, професор супутникового зв'язку в Університеті Суррея (Велика Британія), зазначив, що перевантаження спектру починає виникати, коли все більше супутникових систем працюють на одних і тих самих частотних діапазонах.
Наприклад, Starlink та Eutelsat OneWeb використовують Ku-діапазон (приблизно 11-14 гігагерц) для передачі даних на землю, що збільшує ризик перешкод та перекриття сигналів. Тепер компаніям доводиться координувати спільне використання спектра або коригувати час передачі сигналу, але експерти вважають, що це лише тимчасове рішення.
Супутники, що працюють на різних висотах, також можуть спричиняти перешкоди сигналу. Наприклад, коли наземна станція приймає сигнал від OneWeb на висоті близько 1200 км, супутник Starlink, що пролітає нижче, близько 500 км, може спричинити тимчасові перешкоди, якщо він пройде через зону покриття. Це явище називається подіями в лінії. У контексті швидкого зростання даних з космосу вважається, що радіохвилі навряд чи зможуть належним чином задовольнити довгострокові потреби в передачі відео високої роздільної здатності, даних датчиків та глобального супутникового інтернету.
Технічний виклик
Зіткнувшись із цим тиском, космічна галузь переходить до використання лазерів для передачі даних. На відміну від радіохвиль, які широко поширюються в космосі, лазери поширюються дуже вузькими променями, що робить їх практично несприйнятливими до перешкод від інших систем, тим самим збільшуючи швидкість передачі даних і підвищуючи безпеку.
Далюс Петроліоніс, співзасновник і технічний директор компанії Astrolight (Литва), сказав, що багато супутників наступного покоління зараз інтегрують лазерні канали зв'язку. У мережі Starlink дані між супутниками вже передаються за допомогою лазера в деяких космічних з'єднаннях. Однак лазерний зв'язок від супутників до Землі залишається серйозною технічною проблемою, оскільки лазери дуже чутливі до атмосферних умов. Хмари, туман, водяна пара або коливання температури в повітрі можуть спотворювати сигнал.
Щоб подолати це обмеження, компанії розробляють системи компенсації оптичної інтерференції (АО), які дозволяють лазерному променю самостійно підлаштовуватися під атмосферні коливання в режимі реального часу. Ці системи зазвичай включають датчики хвильового фронту для вимірювання спотворень сигналу, дзеркала для корекції спотворень лазерного променя та високошвидкісний керуючий комп'ютер.
За даними NASA, деякі системи навіть використовують два типи тензодзеркал, що працюють паралельно, де одне дзеркало обробляє великі, повільні деформації, а інше — малі, швидкі коливання. Контролери повинні виконувати приблизно 100-1000 налаштувань на секунду.
Під час випробування лазерної передачі даних зі швидкістю 5 Гбіт/с система AO, що складається з 137 елементів керування, знизила коефіцієнт помилок даних до рівня нижче 10⁻⁶, що еквівалентно менш ніж 1 помилці на мільйон біт даних, практично усунувши будь-які суттєві розбіжності.
Окрім спотворення сигналу, лазерні системи передачі також повинні обробляти коливання інтенсивності світла через атмосферну турбулентність. Деякі лазерні мережі передачі використовують штучні лазерні зірки для створення опорних точок, що допомагає точно вимірювати рівень атмосферної турбулентності. Окрім оптичного обладнання, компанії також застосовують алгоритми штучного інтелекту та машинного навчання для зниження витрат та пришвидшення обробки сигналів.
Нещодавно NASA успішно випробувала лазерну систему зв'язку на космічному кораблі Orion, що входить до програми Artemis II, передавши понад 100 ГБ даних з області поблизу Місяця назад на Землю. Тим часом, литовська компанія космічних технологій Astrolight, будує свою першу оптичну наземну станцію в Гренландії за підтримки Європейського космічного агентства (ESA) та запустила на орбіту три експериментальні лазерні передавачі.
Оптичний зв'язок, також відомий як лазерний зв'язок, використовує інфрачервоні промені замість традиційних радіохвиль для передачі даних між супутниками або від супутників на землю. Ця технологія забезпечує вищу швидкість передачі даних, нижче енергоспоживання та практично повну відсутність перешкод сигналу.
Джерело: https://www.sggp.org.vn/cuoc-dua-truyen-du-lieu-bang-tia-laser-post854231.html
Коментар (0)