NASA的激光鏈路速度破紀(jì)錄地達(dá)到200Gbps

MIT LINCOLN LABORATORY

來(lái)自NASA、MIT和其他機(jī)構(gòu)的一組研究人員實(shí)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(jì)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(guò)2兆字節(jié)的數(shù)據(jù)，大約相當(dāng)于1000部高清電影。

NASA太空通信和導(dǎo)航項(xiàng)目的航空航天工程師Jason Mitchell說(shuō)：“這一影響深遠(yuǎn)，因?yàn)楹?jiǎn)單地說(shuō)，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(guò)在地球表面上方約530公里的軌道上運(yùn)行的TeraByte紅外****（TeraByte InfraRed Delivery，TBIRD）系統(tǒng)實(shí)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(shí)現(xiàn)了高達(dá)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(wú)線(xiàn)電鏈路的1000多倍。

地球上速度最快的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)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(jī)構(gòu)和商業(yè)衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商最常用無(wú)線(xiàn)電與太空中的物體進(jìn)行通信。激光通信可以使用的紅外光具有比無(wú)線(xiàn)電波高得多的頻率，從而實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率。

航天工程師、麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室TBIRD團(tuán)隊(duì)的工作人員Kat Riesing說(shuō)：“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(shì)只會(huì)增加。由于下行鏈路速率的限制，即使是國(guó)際空間站上的高光譜成像儀HISUI也必須通過(guò)貨船上的存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)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(wù)以及黑洞成像等天體物理學(xué)應(yīng)用的重要推動(dòng)者?！?/p>

麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室于2014年將TBIRD設(shè)想為一種低成本、高速的航天器數(shù)據(jù)訪問(wèn)方式。它減少開(kāi)支的一個(gè)關(guān)鍵方法是使用最初為地面用途開(kāi)發(fā)的商用現(xiàn)成組件。Riesing說(shuō)，其中包括為光纖通信開(kāi)發(fā)的高速率光學(xué)調(diào)制解調(diào)器和用于保存數(shù)據(jù)的高速大容量存儲(chǔ)。

TBIRD位于NASA的探路者技術(shù)演示者3號(hào)（PTD-3）衛(wèi)星上，于2022年5月25日在佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地執(zhí)行SpaceX公司的“Transporter-5”拼車(chē)任務(wù)時(shí)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(gè)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(shuō)：“工業(yè)界對(duì)小型、低功耗、高數(shù)據(jù)率光學(xué)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。”

“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(yùn)行的嚴(yán)酷考驗(yàn)而設(shè)計(jì)的。例如，在模擬設(shè)備在太空中可能面臨的極端溫度的熱測(cè)試期間，光信號(hào)放大器中的光纖熔化了。

問(wèn)題是，當(dāng)按原計(jì)劃使用時(shí)，大氣可以通過(guò)對(duì)流幫助冷卻放大器。在真空模擬空間中進(jìn)行測(cè)試時(shí)，放大器產(chǎn)生的熱量被吸收。為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員與放大器的供應(yīng)商合作對(duì)其進(jìn)行了修改，使其通過(guò)傳導(dǎo)來(lái)釋放熱量。

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

作為補(bǔ)償，科學(xué)家們開(kāi)發(fā)了他們自己的自動(dòng)重復(fù)請(qǐng)求(ARQ)版本，這是一種用于控制通信鏈路上數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)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(hào)來(lái)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(yīng)該重新發(fā)送哪些幀，而不必浪費(fèi)時(shí)間發(fā)送數(shù)據(jù)。

科學(xué)家們面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)源于激光是如何形成比無(wú)線(xiàn)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(duì)準(zhǔn)它們的接收器。這通常是通過(guò)將激光器安裝在萬(wàn)向架上來(lái)實(shí)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(hào)來(lái)糾正衛(wèi)星的方向。這種無(wú)萬(wàn)向架的策略還有助于進(jìn)一步縮小TBIRD，使其****成本更低。

Riesing說(shuō)，TBIRD的架構(gòu)可以通過(guò)波長(zhǎng)分離支持多個(gè)信道，從而實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率。她解釋說(shuō)，這就是TBIRD如何在4月28日通過(guò)使用兩個(gè)100 Gb/s信道實(shí)現(xiàn)200 Gb/s下行鏈路的。Riesing指出：“如果該鏈接旨在支持未來(lái)的任務(wù)，那么它可以進(jìn)一步擴(kuò)展?！?/p>

“Put simply, more data means more discoveries.” 

—Jason Mitchell, aerospace engineer, NASA

研究團(tuán)隊(duì)的下一步是探索在即將到來(lái)的任務(wù)中應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)的地方。Riesing說(shuō)：“這項(xiàng)技術(shù)對(duì)科學(xué)任務(wù)特別有用，在那里收集大量數(shù)據(jù)可以帶來(lái)顯著的好處。由此實(shí)現(xiàn)的一個(gè)任務(wù)概念是Event Horizon Explorer任務(wù)，它將擴(kuò)展Event Horizon Telescope在以更高分辨率成像黑洞方面的激動(dòng)人心的工作?！?/p>

Riesing說(shuō)，科學(xué)家們還想探索如何將這項(xiàng)技術(shù)擴(kuò)展到不同的場(chǎng)景，例如地球靜止軌道。此外，Mitchell說(shuō)，他們正在尋找將TBIRD的能力推向月球的方法，以支持未來(lái)在那里的任務(wù)。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(lái)沒(méi)有太大的改善，但請(qǐng)記住，月球距離地球大約40萬(wàn)公里，這是一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的距離”。

這項(xiàng)新技術(shù)還可能用于地面的高速大氣數(shù)據(jù)鏈路。Riesing說(shuō)：“例如，從一棟建筑到另一棟建筑，或者穿過(guò)不適宜居住的地形，比如從山頂?shù)缴巾敚佋O(shè)光纖系統(tǒng)的成本可能過(guò)高?！?/p>

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