MIT LINCOLN LABORATORY

來自NASA、MIT和其他機構的一組研究人員實現(xiàn)了迄今為止最快的空地激光通信鏈路，比去年創(chuàng)下的紀錄翻了一番。在每秒200千兆比特的數(shù)據(jù)速率下，一顆衛(wèi)星可以在地面站上傳輸超過2兆字節(jié)的數(shù)據(jù)，大約相當于1000部高清電影。

NASA太空通信和導航項目的航空航天工程師Jason Mitchell說：“這一影響深遠，因為簡單地說，更多的數(shù)據(jù)意味著更多的發(fā)現(xiàn)?！?/p>

新的通信鏈路是通過在地球表面上方約530公里的軌道上運行的TeraByte紅外****（TeraByte InfraRed Delivery，TBIRD）系統(tǒng)實現(xiàn)的。TBIRD于去年5月****到太空，截至去年6月，它在加利福尼亞州的地面接收器實現(xiàn)了高達100 Gb/s的下行鏈路速率。這是大多數(shù)城市最快網(wǎng)速的100倍，也是傳統(tǒng)上用于與衛(wèi)星通信的無線電鏈路的1000多倍。

地球上速度最快的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡通常依靠光纖上的激光通信。然而，目前還不存在用于衛(wèi)星的高速激光互聯(lián)網(wǎng)。相反，航天機構和商業(yè)衛(wèi)星運營商最常用無線電與太空中的物體進行通信。激光通信可以使用的紅外光具有比無線電波高得多的頻率，從而實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率。

航天工程師、麻省理工學院林肯實驗室TBIRD團隊的工作人員Kat Riesing說：“目前軌道上的衛(wèi)星受到其能夠下行鏈路的數(shù)據(jù)量的限制，隨著更多能力的衛(wèi)星的****，這一趨勢只會增加。由于下行鏈路速率的限制，即使是國際空間站上的高光譜成像儀HISUI也必須通過貨船上的存儲驅(qū)動器將數(shù)據(jù)發(fā)送回地球。TBIRD是收集地球氣候和資源重要數(shù)據(jù)的任務以及黑洞成像等天體物理學應用的重要推動者?！?/p>

麻省理工學院林肯實驗室于2014年將TBIRD設想為一種低成本、高速的航天器數(shù)據(jù)訪問方式。它減少開支的一個關鍵方法是使用最初為地面用途開發(fā)的商用現(xiàn)成組件。Riesing說，其中包括為光纖通信開發(fā)的高速率光學調(diào)制解調(diào)器和用于保存數(shù)據(jù)的高速大容量存儲。

TBIRD位于NASA的探路者技術演示者3號（PTD-3）衛(wèi)星上，于2022年5月25日在佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地執(zhí)行SpaceX公司的“Transporter-5”拼車任務時被送入軌道。PTD-3衛(wèi)星是一顆大約12公斤重的立方體衛(wèi)星，大約有兩個堆疊的麥片盒大小，其TBIRD有效載荷不大于平均的紙巾盒。Mitchell說：“工業(yè)界對小型、低功耗、高數(shù)據(jù)率光學收發(fā)器的追求使我們能夠?qū)崿F(xiàn)即使適用于小型衛(wèi)星的緊湊外形?！?/p>

“There are satellites currently in orbit limited by the amount of data they are able to downlink, and this trend will only increase as more-capable satellites are launched.” 

—Kat Riesing, aerospace engineer, MIT Lincoln Laboratory

TBIRD的發(fā)展面臨著諸多挑戰(zhàn)。首先，地面組件并不是為了經(jīng)受****到太空和在太空中運行的嚴酷考驗而設計的。例如，在模擬設備在太空中可能面臨的極端溫度的熱測試期間，光信號放大器中的光纖熔化了。

問題是，當按原計劃使用時，大氣可以通過對流幫助冷卻放大器。在真空模擬空間中進行測試時，放大器產(chǎn)生的熱量被吸收。為了解決這個問題，研究人員與放大器的供應商合作對其進行了修改，使其通過傳導來釋放熱量。

此外，從太空到地球的激光束可能會因大氣影響和天氣條件而失真。這會導致波束的功率損失，進而導致數(shù)據(jù)丟失。

作為補償，科學家們開發(fā)了他們自己的自動重復請求(ARQ)版本，這是一種用于控制通信鏈路上數(shù)據(jù)傳輸錯誤的協(xié)議。在這種安排中，地面終端使用低速率上行鏈路信號來讓衛(wèi)星知道它必須重新發(fā)送已經(jīng)丟失或損壞的任何數(shù)據(jù)塊或幀。新協(xié)議允許地面站告訴衛(wèi)星它正確接收到了哪些幀，這樣衛(wèi)星就知道應該重新發(fā)送哪些幀，而不必浪費時間發(fā)送數(shù)據(jù)。

科學家們面臨的另一個挑戰(zhàn)源于激光是如何形成比無線電傳輸窄得多的光束的。為了成功地傳輸數(shù)據(jù)，這些波束必須精確地對準它們的接收器。這通常是通過將激光器安裝在萬向架上來實現(xiàn)的。然而，由于TBIRD體積小，它反而操縱攜帶它的CubeSat 將其指向地面，使用它接收到的任何誤差信號來糾正衛(wèi)星的方向。這種無萬向架的策略還有助于進一步縮小TBIRD，使其****成本更低。

Riesing說，TBIRD的架構可以通過波長分離支持多個信道，從而實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率。她解釋說，這就是TBIRD如何在4月28日通過使用兩個100 Gb/s信道實現(xiàn)200 Gb/s下行鏈路的。Riesing指出：“如果該鏈接旨在支持未來的任務，那么它可以進一步擴展?！?/p>

“Put simply, more data means more discoveries.” 

—Jason Mitchell, aerospace engineer, NASA

研究團隊的下一步是探索在即將到來的任務中應用這項技術的地方。Riesing說：“這項技術對科學任務特別有用，在那里收集大量數(shù)據(jù)可以帶來顯著的好處。由此實現(xiàn)的一個任務概念是Event Horizon Explorer任務，它將擴展Event Horizon Telescope在以更高分辨率成像黑洞方面的激動人心的工作?！?/p>

Riesing說，科學家們還想探索如何將這項技術擴展到不同的場景，例如地球靜止軌道。此外，Mitchell說，他們正在尋找將TBIRD的能力推向月球的方法，以支持未來在那里的任務。Mitchell表示，正在考慮的速率在1到5 Gb/s的范圍內(nèi)，這“可能看起來沒有太大的改善，但請記住，月球距離地球大約40萬公里，這是一個相當長的距離”。

這項新技術還可能用于地面的高速大氣數(shù)據(jù)鏈路。Riesing說：“例如，從一棟建筑到另一棟建筑，或者穿過不適宜居住的地形，比如從山頂?shù)缴巾?，鋪設光纖系統(tǒng)的成本可能過高。”