НАСА передало на Землю данные со скоростью 200 Гбит/с с помощью лазера
Группа исследователей из НАСА, Массачусетского технологического института и других учреждений установила рекорд по передаче данных на земную станцию при помощи лазерной связи. Спутник смог передать данные со скоростью 200 Гбит/с.
Платформа TBIRD / spectrum.ieee.org
При таких показателях можно передать более 2 терабайт данных за один 5-минутный проход над наземной станцией.
Связь обеспечивает система TeraByte InfraRed Delivery (TBIRD), которая находится на высоте около 530 км над поверхностью Земли. Расположенный на борту спутника НАСА Pathfinder Technology Demonstrator 3 (PTD-3), TBIRD был выведен на орбиту в рамках совместной миссии SpaceX Transporter-5 25 мая 2022 года. Спутник PTD-3 весит примерно 12 кг, а его полезная нагрузка в виде TBIRD не больше, чем коробка с салфетками.
Запущенный в космос в мае прошлого года лазер уже к июню достиг скорости нисходящей линии связи до 100 Гбит/с с помощью наземного приемника в Калифорнии. Это было в 100 раз быстрее, чем самая высокая скорость Интернета в большинстве городов, и более чем в 1000 раз быстрее, чем связь через радиоканалы, традиционно используемые для получения данных со спутников.
Самые быстрые сети передачи данных на Земле обычно полагаются на лазерную связь по оптоволокну. Однако высокоскоростного лазерного интернета для спутников пока не существует. Вместо этого космические агентства и операторы коммерческих спутников чаще всего используют радиосвязь.
В связи с этим спутники на орбите могут передавать ограниченный объём данных. Даже гиперспектральный сканер HISUI на Международной космической станции отправляет данные на Землю через накопители на грузовых кораблях.
При этом инфракрасный свет, который может использовать лазерная связь, имеет гораздо более высокую частоту, чем радиоволны, что обеспечивает гораздо более высокую скорость передачи данных.
Лаборатория Линкольна Массачусетского технологического института разработала TBIRD в 2014 году. Разработка оказалась бюджетной благодаря использованию коммерческих готовых компонентов для наземных нужд. К ним относятся высокоскоростные оптические модемы, разработанные для оптоволоконных телекоммуникаций, и высокоскоростные хранилища большого объёма для хранения данных.
Однако разработка TBIRD столкнулась с рядом проблем. Так, компоненты лазера не были предназначены для работы в суровых условиях космоса. Во время теплового испытания, имитирующего экстремальные температуры, расплавились волокна в усилителе оптического сигнала.
Чтобы решить эту проблему, исследователи работали с поставщиком усилителя. Устройство модифицировали так, чтобы оно выделяло тепло за счёт проводимости.
Кроме того, лазерные лучи могут искажаться из-за атмосферных воздействий и погодных условий. Это может привести к потере мощности и, в свою очередь, к потере данных. Чтобы решить проблему, учёные разработали собственную версию автоматического повторного запроса (ARQ) — протокола для контроля ошибок при передаче данных по каналу связи. Наземный терминал использует низкоскоростной сигнал восходящей линии связи, чтобы сообщить спутнику, что он должен повторно передать любой блок данных или кадр, которые были потеряны или повреждены.
Ещё одна проблема, с которой столкнулись учёные, была связана с тем, что лазеры формируют гораздо более узкие лучи, чем радио. Для успешной передачи данных эти лучи должны быть направлены точно на их приёмники. Из-за небольшого размера TBIRD он направляет несущий кубсат, используя любые полученные сигналы об ошибке для исправления ориентации.
По словам Рисинга, архитектура TBIRD может поддерживать несколько каналов связи за счёт разделения длин волн, что обеспечивает более высокие скорости передачи данных. Именно так 28 апреля был установлен рекорд нисходящей связи со скоростью 200 Гбит/с, когда использовались два канала по 100 Гбит/с.
Следующим шагом исследовательской группы станет изучение того, где можно применить технологию в предстоящих миссиях. Учёные также хотят выяснить, как расширить применение технологии для различных сценариев, в том числе геостационарной орбиты. Вероятно, в будущем TBIRD позволит поддерживать лунные миссии.
Новая технология может также найти применение в высокоскоростных каналах передачи данных об атмосфере на Земле.
Между тем на Земле учёные из Технического университета Дании совместно с коллегами из Технического университета Чалмерса из Гётеборга (Швеция) установили рекорд по передаче данных через оптоволокно на скорости в 1,8 ПБ/с или 1,8 млн Гб/с. Работа проводилась с помощью одного лазера и одного оптического чипа.
