Лазерная связь с космосом

Вариации на тему космической лазерной связи

Одна из актуальных на сегодняшний день тем в коммерческой космонавтике, и не только — это тема лазерной связи. Преимущества ее известны, тесты проводились и оказались успешны или очень успешны. Если кому плюсы и минусы неизвестны — кратко изложу.

Лазерная связь позволяет передавать данные на гораздо большие относительно радиосвязи расстояния, скорость передачи благодаря высокой концентрации энергии и гораздо более высокой частоте несущей (на порядки) также выше. Энергоэффективность, низкий вес и компактность также в разы или на порядки лучше. Как и стоимость — в принципе, для лазерной связи в космосе вполне может подойти обыкновенная китайская лазерная указка мощностью в районе 1 Вт и выше, что я и намерен доказать ниже.

Из минусов можно упомянуть прежде всего необходимость гораздо более точного наведения приемных и передающих модулей относительно радиосвязи. Ну и известные атмосферные проблемы с облачностью и пылью. На самом деле все эти проблемы легко решаемы, если подойти к их решению с головой.

Прежде всего — рассмотрим, как работает приемный модуль. Он представляет из себя специализированный (не всегда) телескоп, который улавливает излучение лазера и превращает его в электросигналы, которые затем известными методами усиливаются и преобразуются в полезную информацию. Связь, естественно, как и везде сейчас, должна быть цифровой и, соотв., полнодуплексной. Но вот должна быть ли она при этом лазерной в обе стороны? Совершенно не обязательно! Почему это так — нам станет ясно, стоит нам только рассмотреть, как отличаются приемные и передающие устройства для лазерной связи, и как отличаются требования к массогабаритным параметрам устройств связи на орбитальных КА (или КА дальнего космоса) и наземных комплексах.

Как уже сказано ранее — приемный комплекс — это телескоп. С линзами и (или) рефлекторами, системой их крепления и наведения телескопа. А это означает — тяжелая и громоздкая конструкция — что совершенно неприемлемо для КА. Ибо для КА любое устройство должно быть как раз максимально легким и компактным. Что как раз для передатчика ЛИ вполне характерно — все, наверное, уже видели современные ПП лазеры размером и весом с авторучку. Ну правда, питание для настоящего, неигрушечного лазера будет весить поболее, ну так оно и для систем радиоцифровой связи будет весить еще поболее ввиду его гораздо меньшей энергоэффективности.

Что из этого всего следует? Это значит — совершенно не нужно передавать данные в обе стороны лазером, достаточно передавать их только со спутника в оптоканале, а на спутник (КА) — в радиоканале, как и ранее. Конечно, это значит, что придется все-таки использовать направленную параболическую антенну для приема, что для веса КА не есть хорошо. Но при этом следует учитывать, что антенна для приема, как и, собственно, сам ресивер, будет все-таки весить в разы меньше, чем она же для передачи. Ибо мощность наземного передатчика мы можем делать на порядки мощнее, чем на КА, а значит — и антенна не нужна большая. В некоторых же случаях направленная антенная вообще не нужна будет.

Т.о. мы имеем уменьшение веса КА практически в разы, так же как и энергопотребления. Что является прямой дорогой к возможности повсеместно использовать для нужд связи, исследования космоса и др. нужд микроспутников, а значит — резкого удешевления космоса. Но и это еще не все.

Для начала рассмотрим путь решения проблемы наведения луча лазера со спутника на наземный приемник. На первый взгляд — проблема серьезная, а в некоторых случаях — и вовсе нерешаемая (если спутник не на геостационаре). Но вот вопрос — а надо ли луч наводить на приемник?

Есть известная проблема — это расхождение и ослабление луча лазера при прохождении в атмосфере. Особенно проблема обостряется при прохождении луча через слои с разной плотностью. При прохождении границ раздела сред луч света, в т.ч. и лазерный луч, испытывает особенно сильные преломления, рассеивание и ослабление. В этом случае мы можем наблюдать своего рода световое пятно, получающееся как раз при прохождении такой границы раздела сред. В атмосфере Земли таких границ несколько — на высоте около 2 км (активный погодный атмосферный слой), на высоте примерно 10 км, и на высоте примерно 80-100 км, т. е. уже на границе космоса. Высоты слоев даны для средних широт для летнего периода. Для других широт и других времен года высоты и само кол-во границ раздела сред может сильно отличаться от описанного.

Т.о. при вхождении в атмосферу Земли луч лазера, до этого спокойно преодолевший миллионы километров без каких-либо потерь (на разве что небольшую расфокусировку), на каких то несчастных десятках километров теряет львиную долю своей мощности. Однако этот плохой на первый взгляд факт мы отлично можем обратить себе на пользу. Ибо этот факт позволяет нам обойтись без какого либо серьезного наведения луча на приемник. Ибо в качестве такого приемника, точнее первичного приемника, мы как раз и можем использовать саму атмосферу Земли, точнее эти самые границы раздела слоев, сред. Мы просто можем наводить телескоп на получающееся световое пятно и считывать с него информацию. Конечно, это заметно прибавит кол-во помех и снизит скорость передачи данных. И сделает ее вообще невозможной в дневное время по понятным причинам — Солнце же! Зато насколько мы можем удешевить спутник за счет экономии на системе наведения! Это особенно актуально для спутников на нестационарных орбитах, а также для КА для исследований дальнего космоса. Кроме того, учитывая, что лазеры, пусть даже с такой некачественной, не узкой частотной полосой, как китайские лазеры — вполне реально можно отсеивать от помех с помощью светофильтров или узкочастотных фотоприемников.

Не менее актуальным могло бы быть использование лазерной связи не для космоса, а для наземной дальней связи способом, подобным тропосферной связи. Имеется в виду передача данных лазером также с использованием атмосферного рассеяния на границах раздела атмосферных слоев с одной точки поверхности Земли до другой. Дальность такой связи может достигать сотен и тысяч километров, а при использовании релейного принципа — и того более.

Данная статья не подлежит комментированию, поскольку её автор ещё не является полноправным участником сообщества. Вы сможете связаться с автором только после того, как он получит приглашение от кого-либо из участников сообщества. До этого момента его username будет скрыт псевдонимом.

Источник

Лазерная связь в космосе — Laser communication in space

Лазерная связь в космосе — это использование оптической связи в открытом космосе . Связь может осуществляться полностью в космосе ( межспутниковая лазерная линия связи ) или в приложении «земля-спутник» или «спутник-земля». Основное преимущество использования лазерной связи по сравнению с радиоволнами — это увеличенная полоса пропускания , позволяющая передавать больше данных за меньшее время.

В космическом пространстве дальность связи оптической связи в свободном пространстве в настоящее время составляет порядка нескольких тысяч километров, что позволяет использовать межспутниковую службу . У него есть потенциал для преодоления межпланетных расстояний в миллионы километров, используя оптические телескопы в качестве расширителей луча .

СОДЕРЖАНИЕ

Демонстрации и тесты

До 1990 г.

20 января 1968 года телекамера лунного аппарата Surveyor 7 успешно обнаружила два аргоновых лазера из национальной обсерватории Китт-Пик в Аризоне и обсерватории Столовая гора в Райтвуде, Калифорния .

1991-2000 гг.

В 1992 году зонд « Галилео» доказал успешное одностороннее обнаружение лазерного излучения с Земли, так как два наземных лазера были видны с расстояния 6 миллионов км.

Первая успешная ссылка лазерной связи из космоса была проведена Японией в 1995 году между ЭТСАМИ-ВИ GEO спутником JAXA и 1,5-м НИКТАМИ ‘ с оптической наземной станцией в Токио (Япония) , достигая 1 Мбит / с.

2001-2010

В ноябре 2001 года первая в мире лазерная межспутниковая связь была установлена ​​в космосе с помощью спутника Artemis Европейского космического агентства , обеспечивающего оптическую линию передачи данных со спутником наблюдения Земли CNES SPOT 4 .

В мае 2005 года лазерный альтиметр Mercury на борту космического корабля MESSENGER установил рекорд расстояния для двусторонней связи . Этот неодимовый инфракрасный лазер с диодной накачкой , разработанный в качестве лазерного высотомера для орбитальной миссии Меркурия, смог установить связь на расстоянии 24 миллиона км (15 миллионов миль), когда аппарат приближался к Земле во время пролета.

В 2006 году в Японии была осуществлена ​​первая лазерная связь по нисходящей линии связи « НОО- Земля» со спутника JAXA OICETS LEO и наземной оптической станции NICT .

В 2008 году ESA используется лазерная технология связи , разработанная для передачи 1,8 Гбит / с через 45000 км, расстояние в LEO — GEO ссылки. Такой терминал был успешно испытан во время орбитальной проверки с использованием немецкого радиолокационного спутника TerraSAR-X и американского спутника NFIRE . Два терминала лазерной связи (LCT), использованные во время этих испытаний, были построены немецкой компанией Tesat-Spacecom в сотрудничестве с Немецким аэрокосмическим центром (DLR).

2011-2020 гг.

В январе 2013 года НАСА использовало лазеры для передачи изображения Моны Лизы на лунный разведывательный орбитальный аппарат на расстоянии примерно 390000 км (240 000 миль). Для компенсации атмосферных помех был реализован алгоритм кода исправления ошибок, аналогичный тому, который используется в компакт-дисках.

В сентябре 2013 года система лазерной связи была одним из четырех научных инструментов, запущенных в рамках миссии NASA Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (LADEE). После месячного полета на Луну и 40-дневной проверки космического корабля эксперименты по лазерной связи проводились в течение трех месяцев в конце 2013 — начале 2014 года. Первоначальные данные, полученные с оборудования Lunar Laser Communication Demonstration (LLCD) на LADEE, установили рекорд пропускной способности космической связи в октябре 2013 года, когда первые испытания с использованием импульсного лазерного луча для передачи данных на расстояние 385 000 км (239 000 миль) между Луной и Землей передавали данные с «рекордной скоростью загрузки 622 мегабита в секунду ( Мбит / с )» , а также продемонстрировал безошибочную скорость загрузки данных 20 Мбит / с с наземной станции на LADEE на лунной орбите . LLCD — это первая попытка НАСА установить двустороннюю космическую связь с использованием оптического лазера вместо радиоволн и, как ожидается, в будущем приведет к созданию действующих лазерных систем на спутниках НАСА.

В ноябре 2013 года впервые была успешно продемонстрирована лазерная связь с реактивной платформы « Торнадо» . Лазерный терминал немецкой компании Mynaric (ранее ViaLight Communications) использовался для передачи данных со скоростью 1 Гбит / с на расстояние 60 км и со скоростью полета 800 км / ч. Дополнительными проблемами в этом сценарии были быстрые маневры полета, сильные вибрации и эффекты атмосферной турбулентности. Демонстрация финансировалась EADS Cassidian Germany и проводилась в сотрудничестве с Немецким аэрокосмическим центром DLR .

В ноябре 2014 года было проведено первое в истории использование гигабитной лазерной связи в рамках Европейской системы ретрансляции данных (EDRS). Дальнейшие демонстрации системы и эксплуатационных услуг были проведены в 2014 году. Данные со спутника EU Sentinel-1A на низкой околоземной орбите передавались по оптическому каналу на ESA-Inmarsat Alphasat на геостационарной орбите, а затем ретранслировались на наземную станцию ​​с использованием обычного нисходящего канала Ka-диапазона. . Новая система может предложить скорость до 7,2 Гбит / с. Лазерный терминал на Alphasat называется TDP-1 и до сих пор регулярно используется для испытаний. Первый терминал EDRS (EDRS-A) для продуктивного использования был запущен в качестве полезной нагрузки на космическом корабле Eutelsat EB9B и стал активным в декабре 2016 года. Он регулярно загружает большие объемы данных с космических кораблей Sentinel 1A / B и Sentinel 2A / B в земля. На данный момент (апрель 2019 г.) выполнено более 20000 ссылок (11 PBit).

В декабре 2014 года OPALS НАСА объявила о прорыве в области лазерной связи космос-земля, скачивая со скоростью 400 мегабит в секунду. Система также может восстановить отслеживание после потери сигнала из-за облачности. СООК эксперимент был запущен 18 апреля 2014 года на МКС для дальнейшего тестирования потенциала для использования лазера для передачи данных на Землю из космоса.

Первая демонстрация лазерной связи НОО-Земля с использованием микроспутника ( SOCRATES ) была проведена NICT в 2014 году, а первые квантово-ограниченные эксперименты из космоса были проведены с использованием того же спутника в 2016 году.

В феврале 2016 года Google X объявил о достижении стабильной лазерной связи между двумя стратосферными шарами на расстоянии 100 км (62 мили) в рамках проекта Loon . Соединение было стабильным в течение многих часов днем ​​и ночью и достигло скорости передачи данных 155 Мбит / с.

В июне 2018 года сообщалось , что лаборатория подключений Facebook (связанная с Facebook Aquila ) в сотрудничестве с Mynaric достигла двунаправленного соединения воздух-земля со скоростью 10 Гбит / с . Испытания проводились с обычного самолета Cessna на расстоянии 9 км от наземной оптической станции. Хотя тестовый сценарий имел худшие профили вибрации платформы, атмосферной турбулентности и угловой скорости, чем стратосферная целевая платформа, восходящий канал работал безупречно и всегда достигал 100% пропускной способности. Пропускная способность нисходящего канала иногда падала примерно до 96% из-за неидеального программного параметра, который, как говорили, легко исправить.

В апреле 2020 года Малый оптический канал для Международной космической станции (SOLISS), созданный JAXA и Sony Computer Science Laboratories, установил двунаправленную связь между Международной космической станцией и телескопом Национального института информационных и коммуникационных технологий Японии.

29 ноября 2020 года Япония запустила межспутниковый спутник на геостационарной орбите с оптической ретрансляцией данных с технологией высокоскоростной лазерной связи под названием LUCAS (Laser Utilizing Communication System).

2021-настоящее время

В июне 2021 года Агентство космического развития США планирует запустить два кубических спутника высотой 12U на борту космического корабля SpaceX Falcon 9 на солнечно-синхронной орбите . Ожидается, что миссия продемонстрирует лазерную связь между спутниками и дистанционно управляемым MQ-9 Reaper .

Будущие миссии

В апреле 2021 года НАСА должна запустить демонстрацию ретранслятора лазерной связи в рамках программы USAF STP-3 для связи между GEO и поверхностью Земли.

Лазерная связь в дальнем космосе будет проверена в ходе миссии Psyche к астероиду 16 Psyche , который находится в главном поясе , запуск которой запланирован на 2022 год. Система называется Deep Space Optical Communications и, как ожидается, повысит производительность и эффективность связи космических аппаратов в 10–100 раз. раз по сравнению с обычными средствами.

Японский NICT продемонстрирует в 2022 году самую быструю двунаправленную лазерную связь между орбитой GEO и землей со скоростью 10 Гбит / с с помощью терминала HICALI (высокоскоростная связь с усовершенствованным лазерным прибором) на борту ETS-9 (Engineering Test Satellite IX). ), а также первое межспутниковое соединение с такой же высокой скоростью между CubeSat на LEO и HICALI на GEO год спустя.

Коммерческое использование

Такие корпорации, как SpaceX , Facebook и Google, а также ряд стартапов в настоящее время разрабатывают различные концепции, основанные на технологиях лазерной связи. Наиболее многообещающие коммерческие приложения могут быть найдены при объединении спутников или высотных платформ для создания высокопроизводительных оптических магистральных сетей. Другие приложения включают передачу больших объемов данных непосредственно со спутника , самолета или беспилотного летательного аппарата (БПЛА) на землю.

Операторы

Многие компании хотят использовать лазерную связь в космосе для группировок спутников на низкой околоземной орбите, чтобы обеспечить глобальный высокоскоростной доступ в Интернет. Аналогичные концепции используются для сетей самолетов и стратосферных платформ.

Поставщики

Когда эти проекты будут полностью реализованы, может образоваться значительный рынок оборудования для лазерной связи. Новые достижения поставщиков оборудования позволяют использовать лазерную связь при одновременном снижении затрат. Модуляция луча дорабатывается, как ее программное обеспечение, так и подвесы. Решены проблемы с охлаждением и улучшена технология обнаружения фотонов. В настоящее время на рынке действуют следующие известные компании:

Безопасное общение

Была предложена безопасная связь с использованием лазерного интерферометра с N-щелью, где лазерный сигнал принимает форму интерферометрической картины, и любая попытка перехватить сигнал вызывает коллапс интерферометрической картины. Этот метод использует совокупности неотличимых фотонов и, как было продемонстрировано, работает на расстояниях распространения, представляющих практический интерес, и, в принципе, его можно применять на больших расстояниях в космосе.

Предполагая , доступные лазерные технологии, и принимая во внимание расхождение интерференционных сигналов, диапазон для спутниковых -в-спутниковой связи была оценена приблизительно в 2000 км. Эти оценки применимы к группе спутников, вращающихся вокруг Земли. Для космических аппаратов или космических станций дальность связи увеличится до 10 000 км. Этот подход к безопасной связи космос-космос был выбран Laser Focus World в качестве одной из главных разработок в области фотоники 2015 года.

Источник