Лазерная система для передачи данных между спутниками

2023: Анонс продукта

В середине июня 2023 года исследователи из Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе и института прикладной физики Макса Планка в Германии придумали, как передавать данные между спутниками с помощью лазеров. Это позволит создать в космосе интернет-магистраль, которая будет работать быстрее и надежнее.

Для разработки системы для передачи данных между спутниками, партнеры проекта сделали значительный шаг вперед в создании спутникового оптического канала связи, проведя успешное испытание между альпийской горной вершиной Юнгфрауйох и швейцарским городом Берн. Хотя лазерная система не была испытана непосредственно с орбитальным спутником, она обеспечила передачу большого объема данных на расстояние 53 км в свободном пространстве.

Ученые придумали, как передавать данные между спутниками с помощью лазеров

Лазерный луч проходит через плотные слои атмосферы вблизи земли. При этом множество факторов влияют на движение световых волн и, следовательно, на передачу данных. Мерцание воздуха, вызванное тепловыми явлениями, нарушает равномерное движение света и в жаркие летние дни может быть видно невооруженным глазом.

Подключение к Интернету через спутник не является чем-то новым. Самым известным примером на июнь 2023 года является Starlink Илона Маска, сеть из более чем 2 тыс. спутников, вращающихся вблизи Земли, которая обеспечивает доступ в интернет практически в каждом уголке мира. Однако для передачи данных между спутниками и наземными станциями используются радиотехнологии, которые значительно менее мощные. Такие технологии, как беспроводная локальная сеть ([[WiNG5 WLANРынок ИТ-услуг в России: оценки, тренды, крупнейшие участники. Обзор и рейтинг TAdviser 300.4 т WLAN (Wireless LAN) - беспроводная локальная сеть|WLAN]]) или мобильная связь, работают в микроволновом диапазоне спектра и поэтому имеют длину волны размером в несколько сантиметров.

Лазерные оптические системы, напротив, работают в ближнем инфракрасном диапазоне с длиной волны в несколько микрометров, что примерно в 10 тыс. раз короче. В результате они могут передавать больше информации в единицу времени. Чтобы обеспечить достаточно сильный сигнал к тому времени, когда он достигнет удаленного приемника, параллельные световые волны лазера направляются через телескоп, диаметр которого может достигать нескольких десятков сантиметров. Этот широкий пучок света должен быть точно направлен на приемный телескоп с диаметром того же порядка величины, что и ширина передаваемого пучка света по прибытии.

Для достижения максимально возможной скорости передачи данных световая волна лазера модулируется таким образом, чтобы приемник мог обнаружить различные состояния, закодированные в одном символе. Это означает, что каждый символ передает более одного бита информации. На практике это подразумевает различные амплитуды и фазовые углы световой волны. Каждая комбинация фазового угла и амплитуды образует различный информационный символ, который может быть закодирован в передаваемом символе. Таким образом, при схеме, состоящей из 16 состояний (16 QAM), каждое колебание может передавать 4 бита, а при схеме, состоящей из 64 состояний (64 QAM) - 6 бит.

Колебания турбулентности частиц воздуха приводят к изменению скорости световых волн как внутри светового конуса, так и на его краях. В результате, когда световые волны попадают на детектор приемной станции, амплитуды и фазовые углы либо складываются, либо отменяют друг друга, давая ложные значения. Чтобы предотвратить эти ошибки, ученые проекта установила чип микроэлектромеханической системы (MEMS)от компании ONERA с матрицей из 97 регулируемых зеркал. Деформации зеркал корректируют фазовый сдвиг луча на поверхности пересечения вдоль измеряемого градиента 1,5 тыс. раз в сек, в итоге улучшая сигналы примерно в 500 раз. Это улучшение было важным для достижения пропускной способности в 1 Тб в сек на расстоянии 53 км.

Система также использует специальные алгоритмы для исправления искажений лазерных лучей из-за воздуха. Ученые проверили свою систему на компьютере и показали, что она может обеспечить высокую точность нацеливания лучей и высокую скорость передачи данных до 10 Гб в сек.

По словам исследователей, их система может быть использована для создания глобальной интернет магистрали через спутники, которая будет соединять разные регионы Земли и обеспечивать связь с космическими аппаратами в глубоком космосе. Такая магистраль может улучшить эффективность и безопасность коммуникаций в разных сферах, таких как медицина, наука и образование. В дальнейшем, разработанный учеными формат модуляции, вероятно, позволит увеличить пропускную способность других методов передачи данных, где энергия луча может стать ограничивающим фактором.^[1]

Примечания