Оптическая передача сигнала в космосе и будущее спутниковой связи

Сразу после появления первых спутников на околоземной орбите человечество получило новый способ коммуникации благодаря передаче радиосигнала со спутника на спутник или со спутника на Землю. Расположенные за сотни тысяч километров над нашими головами, спутники представлялись идеальным средством для одномоментного покрытия сигналом больших участков на Земле, что гарантировало возможность обеспечения связью даже труднодоступных уголков планеты. Спутники-ретрансляторы также казались интересным решением для быстрой передачи сигнала на большие расстояния, поскольку в космосе радиосигнал распространяется без помех, потому что не сталкивается с сопротивлением земной атмосферы.

Последнее десятилетие, характеризующееся появлением многотысячных кластеров спутниковых созвездий, сделало спутниковую широкополосную связь не только доступной, но и быстрой. Впервые за историю существования технологии скорость соединения начала приближаться к той, которую обеспечивали оптоволоконные сети. Однако радиосвязь все еще имела ряд неискоренимых недостатков, в числе которых была низкая пропускная способность, уязвимость к перехвату или глушению спутникового радиосигнала. Именно поэтому космические агентства и спутниковые компании принялись рассматривать альтернативные методы передачи спутникового сигнала — прежде всего оптическую, или лазерную космическую связь.

Появление систем оптической связи: от Земли до космоса

Как и любую космическую технологию, оптическую передачу данных изначально изобрели на Земле. К самым первым примерам оптической коммуникации можно отнести сигнализацию факелами, которые использовали древние люди еще до начала нашей эры.

Современный вид этой технологии наметился лишь в конце XIX века, когда американский физик шотландского происхождения Александр Грэхем Белл начал первые испытания своего фотофона. Его устройство позволяло передавать голосовые сообщения, используя для этого сконцентрированный луч света. Во время демонстрации 21 июня 1880 года фотофон Белла передал голосовое сообщение на расстояние 213 м.

Однако технология фотофона как устройства для связи довольно быстро подвинулась после изобретения телефона, принцип действия которого основывался сугубо на электрической схеме. Она обеспечивала значительно лучшее качество связи, хотя и нуждалась в электрических кабелях. Несмотря на то, что некоторые разновидности систем оптической связи иногда использовались в первой половине XX века (здесь можно упомянуть немецкое оптическое устройство Blinkgerät, которое пригодилось во время Первой мировой войны), настоящая революция в системах оптической коммуникации в свободном пространстве (FSOC) состоялась только с изобретением лазера Теодором Майманом в 1960 году.

Первые лазерные системы связи были организованы в США в виде CAN (campus area network). Они использовали гелий-неоновые лазеры для передачи данных между компьютерами, подключенными к одной сети студенческих университетов или корпоративных компаний. Важно отметить, что оптическая связь не была присуща всем сетям CAN, а встречалась скорее как исключение и технологические демонстрации. Вопреки очень хорошим показателям защищенности лазерного канала связи, во второй половине XX века оптоволоконные сети просто не допустили лазерную технологию к глобальному коммерческому рынку телекоммуникационных систем.

К тому же первые испытания систем лазерной связи для передачи данных в условиях Земли быстро развенчали преимущество метода оптической передачи данных над радиочастотной (РЧ). Лазерный луч плохо подходил для трансфера данных на большие расстояния: такой сигнал имел высокую способность к рассеянию и поглощению земной атмосферой, что приводило к значительной задержке сигнала или частичной потере данных. Зато большая длина волны радиосигнала позволяла ему почти беспрепятственно проходить через атмосферу даже при повышенной влажности среды или интенсивных осадках (сложные погодные условия негативно влияли лишь на некоторые РЧ-диапазоны).

Но в космическом вакууме наблюдалась совсем иная картина. Отсутствие сопротивления окружающей среды нивелировало негативные аспекты лазерной передачи данных. Поскольку и радио, и лазерные сигналы относятся к электромагнитному излучению, в условиях космического вакуума они распространялись с одинаковой скоростью, близкой к скорости света. Более того, в условиях космической среды большая интенсивность лазерного излучения и меньшая длина его волны позволяют передавать больший (чем РЧ-сигнал) объем данных за одинаковый промежуток времени.

В силу этих особенностей дальнейшее развитие технологии лазерной коммуникации было перенесено в плоскость земной орбиты, и далее, в ближнее космическое пространство.

Лазерный луч на Луне и первая межспутниковая передача данных

Первая внеземная демонстрация технологии лазерной передачи данных состоялась в 1968 году, во время миссии космического аппарата NASA Surveyor 7, совершившего мягкую посадку на поверхность Луны 10 января. На борту посадочной платформы было установлено приемное оборудование, зафиксировавшее излучение двухваттных аргоновых лазеров, одномоментно поступивших из аризонской Национальной обсерватории Китт-Пик (KNPO) и калифорнийской Горной обсерватории Тейбл (TMO).

Межпланетным преемником Surveyor 7 в вопросе развития систем лазерной связи стал юпитерианский зонд NASA Galileo, запущенный к газовому гиганту 18 октября 1989 года. Спустя три года после старта своей миссии, в 1992-м, Galileo продемонстрировал способность улавливать лазерный маяк, направленный на него с Земли на феноменальном расстоянии 6 млн км. Правда, зонд был способен только принимать лазерный сигнал с наземной станции — его не оснастили необходимым для организации канала передачи обратного сигнала оборудованием.

Позже подобный эксперимент по захвату, наведению и слежению (PAT) оптического сигнала провел японский спутник ETS-VI во время пребывания на геотрансферной орбите Земли. Скорость передачи данных составила 1 Мбит/с, чего было достаточно для передачи основных команд управления спутником.

Свои исследования систем оптической коммуникации проводило и Европейское космическое агентство (ESA), которое с 1977 года активно занималось разработкой технологии высокоскоростной лазерной связи в космическом пространстве. Результатом этой работы стало появление в 1980-х годах проекта терминалов SILEX (Semiconductor laser Intersatellite Link Experiment) для межспутниковой лазерной передачи данных. Разработанная компанией Astrium со штаб-квартирой в Париже система SILEX использовала в качестве передатчика лазерный диод на основе полупроводникового материала из арсенида-галлия алюминия (AlGaAs) мощностью 60 Вт, а общий вес лазерного терминала составлял 160 кг. Питание всего терминала лазерной связи требовало 150 Вт энергии.

Полный цикл разработки и тестирования SILEX длился почти 20 лет, а первая демонстрация работы спутниковых терминалов лазерной связи состоялась лишь в ноябре 2001 года. Тогда с помощью SILEX обмен данными провели два европейских спутника: ARTEMIS и мониторинговый SPOT-4, которые поддерживали устойчивую межспутниковую двухканальную связь на протяжении всего срока их миссии. Всего по лазерному каналу связи было передано более 230 часов телеметрических и сенсорных данных. Скорость передачи данных по оптическому каналу составила 50 Мбит/с.

Позже, в ноябре 2005 года, ARTEMIS наладил первую в мире двухканальную лазерную связь с японским спутником Optical Intersatellite Communications Engineering (также известен как Kirari, запущенный на борту ракеты-носителя «Дніпро»). Для собственного спутника Япония разработала свой аналог лазерного терминала — LUCE (Laser Utilizing Communications Equipment), техническое устройство которого походило на европейский SILEX. Передачу связи организовали с низкой околоземной орбиты (LEO), где находился Kirari, на геостационарную (GEO), где разместился ESA ARTEMIS.

В декабре 2006 года впервые состоялся обмен спутниковыми данными между спутником ARTEMIS и самолетом, пребывающим в воздухе. На последнем установили французский терминал для организации лазерной связи LOLA (Liaison Optique Laser Aéroportée), благодаря которому самолет обменивался данными со спутниковым лазерным терминалом SILEX. 

Тенденция к уменьшению габаритов

Несмотря на очевидный успех технологии лазерной межспутниковой передачи данных, подобные терминалы все еще слабо подходили для использования в условиях космического пространства. Они были чересчур тяжелые и потребляли слишком много электроэнергии, на выходе предоставляя скорость передачи данных, которую мог обеспечить стандартный радиоволновой передатчик значительно меньшего размера. Для дальнейшего развития технологии сначала следовало уменьшить массу и сделать лазерные терминалы энергосберегающими.

Разработка компактных терминалов лазерной связи развернулась в ESA в начале 90-х годов прошлого столетия, за 11 лет до того, как первый SILEX начал работать в спутниковой паре ARTEMIS/SPOT-4. Новое устройство получило название SOUT (Small Optical User Terminal), а его проектный вес оценивался всего в 25 кг. Главным подрядчиком проекта выступила британская компания British Aerospace.

Конечно, уменьшение габаритов лазерного терминала прогнозируемо привело и к снижению скорости передачи сигнала — в малогабаритных терминалах она равнялась 2 Мбит/с. Несмотря на то, что программы SILEX и SOUT (в дальнейшем название изменили на SOTT) развивались отдельно друг от друга, важным этапом стала технологическая совместимость двух терминалов — они могли обмениваться данными между собой.

По состоянию на сейчас лазерные терминалы SOTT продолжают существовать. Последние малогабаритные лазерные терминалы, предназначенные для коммерческого использования в системах космос—космос, способны достичь скорости передачи сигнала в 1 Гбит/с.

Лазерные терминалы SOUT сформулировали тенденцию к уменьшению оборудования для организации устойчивой лазерной связи типа космос—космос и космос—Земля. В дальнейшем именно эта тенденция привела к возможности появления компактных лазерных терминалов на спутниках крупных интернет-созвездий по типу Starlink и других, о которых речь пойдет ниже.

Прорыв NASA: усовершенствование наведения и слежения

В 2013 году с целью усовершенствовать существующие системы лазерной связи NASA вернулось к Луне, запустив свою миссию LADEE (Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer). Одной из полезных нагрузок зонда было оборудование для организации двустороннего канала лазерной связи с Землей — LLCD (Lunar Laser Communications Demonstration).

Во время демонстрации системы 18 октября 2013 года терминал LLCD, находясь на расстоянии 385 000 км от Земли, смог обеспечить скорость нисходящего канала передачи данных (с Луны на Землю) в 622 Мбит/с, а максимальная скорость восходящего канала (с Земли на Луну) достигла отметки 20 Мбит/с. Впервые за всю историю существования лазерной связи нисходящая скорость передачи данных превысила показатели, присущие стандартной радиочастотной связи.

Высокую скорость соединения гарантировала импульсная модуляция лазерного луча, благодаря которой данные телеметрии и код передавались не постоянным лазерным излучением, а мерцанием лазера в короткие интервалы времени. Подход позволил пересылать большие массивы данных порционно, в ходе каждого такого включения лазера.

В миссии LLCD значительно улучшилась и система захвата, наведения и слежения (PAT) за лазерным лучом, что в свою очередь помогло его сузить. Для этого воспользовались лазерным телескопом LADEE (для передачи со спутника на Землю) и наземными станциями отслеживания с большой апертурой, что позволяло захватывать слабый лазерный сигнал спутника, который рассеивался, проходя сквозь атмосферу Земли. Чувствительные системы PAT способствовали использованию более узкого лазерного луча, что сделало всю сеть менее уязвимой к перехвату.

Спустя год после успеха LLCD, в апреле 2014 года, состоялась демонстрация системы OPALS (Optical PAyload for Lasercomm Science), разработанной лабораторией реактивного движения (JPL) NASA. Полезная нагрузка для лазерной связи с наземными станциями на борт МКС прибыла на космическом корабле Dragon в рамках коммерческой миссии по поставке SpaceX CRS-3.

Терминал OPALS работал на космической станции в течение 90 суток. Демонстрация системы заключалась в том, что с борта МКС лазерный луч направлялся на наземную приемную станцию в горах Сан-Габриэль, Калифорния. В OPALS была реализована собственная автоматика — лазерный терминал автоматически наводил лазер на приемник на Земле, компенсируя движение МКС и погрешность, которую вызывала земная атмосфера.

Во время ряда экспериментов с OPALS удалось установить 18 успешных соединений (из 26 попыток). Скорость передачи данных составила 50 Мбит/с, что подтвердило работоспособность технологии, но показатель отказов в 30% отнюдь не гарантировал стабильность подобного метода передачи данных. Так что настоящий прорыв 2014 года в космической лазерной коммуникации принадлежал вовсе не американцам.

ESA достигает гигабитной скорости: появление EDRS

В ноябре 2014-го европейская ESA стала первой космической организацией в мире, сумевшей достичь гигабитной скорости оптической передачи данных в космическом пространстве.Первая тестовая космическая демонстрация новой европейской архитектуры EDRS (European Data Relay System) состоялась во время миссии спутника Sentinel-1A, который установил канал лазерной связи с другим европейским спутником — ESA Alphasat. Показатель скорости передачи оптического сигнала EDRS составил 1,8 Гбит/с (связь LEO — GEO на расстояние до 45 000 км). По состоянию на 2014 год, это было недостижимым показателем для любого лазерного терминала связи космического базирования. В последующих демонстрациях ESA планировало увеличить скорость лазерного соединения в четыре раза, доведя ее до 7,2 Гбит/с.

Полноценные спутники, входящие в группировку EDRS, были запущены позже. В январе 2016 года на орбите обосновался EDRS-A, а три года спустя, 6 августа 2019 года, его возможности дополнил EDRS-С, схожий по функционалу со своим предшественником. Оба спутника заняли свое положение на GEO и стали своеобразными лазерными ретрансляторами, которые обеспечивали лазерную связь с целым рядом спутников на LEO. Спутники EDRS отправляли полученные с них данные на наземные станции, используя три разновидности радиочастотных диапазонов: S (с пиковой скоростью передачи данных 600 Мбит/с), Ku и Ka (до 800 Мбит/с).

На сегодняшний день всего два спутника группировки EDRS осуществляют почти полностью покрытие территорий Африки, Ближнего Востока, Европы, Азии и Америки, обеспечивая лазерную связь с рядом коммерческих и государственных спутников и ретранслируя их данные на Землю. План укрепления группировки до 2030 года предусматривает появление на орбите еще двух дополнительных спутников, призванных обеспечить полное покрытие всего земного шара. По состоянию на май 2023 года европейская EDRS провела свыше 75 000 успешных операций по лазерному межспутниковому трансферу данных.

Коммерческое использование

За последние годы лазерная связь совершила настоящую революцию в коммерческих системах межспутниковой передачи данных, особенно в спутниковых созвездиях. Начиная с версии 1.5 и далее компактными терминалами для передачи оптического сигнала оснащаются все аппараты группировки Starlink.

Аналогичным путем идет и главный конкурент Starlink — спутниковая группировка для глобального интернет-покрытия OneWeb. Компания заявила, что планирует организовать оптическую межспутниковую связь для ретрансляции данных в космическом пространстве во второй генерации своих спутников OneWeb Gen 2. 

Еще одно коммерческое спутниковое созвездие Amazon Kuiper (конечное количество должно составлять 3236 спутников на LEO) также будет использовать лазерную связь для коммуникации между спутниками. В настоящее время на орбите находятся только два тестовых спутника Amazon Kuiper: Kuipersat-1 и Kuipersat-2, запущенные в 2023 году. После сбора всех тестовых данных Amazon начнет следующий этап развертывания зондов Kuiper с помощью ракет-носителей United Launch Alliance и Arianespace. 

Канадская телекоммуникационная компания Telesat вскоре приступит к развертыванию собственного коммерческого созвездия Lightspeed, в котором должно насчитываться 198 спутников. Несмотря на относительно небольшое (в сравнении с другими интернет-созвездиями) количество аппаратов, группировка Lightspeed охватит почти всю площадь планеты, предоставляя клиентам доступ к высокоскоростному интернету.

Лазерная межспутниковая связь реализована и в новой генерации спутников Iridium NEXT, которые обеспечивают спутниковую телефонию. Созвездие из 75 спутников было развернуто в период с 2017 по 2019 год. Еще шесть Iridium NEXT сейчас в резерве на Земле — на случай, если космическим аппаратам понадобится замена.

В начале этого года о большом прорыве в области высокоскоростного обмена данными заявила и китайская коммерческая спутниковая компания Chang Guang Satellite Technology. В ряде китайских медиа она отчиталась о достижении скорости передачи данных в 100 Гбит/с в системах космос—Земля и космос—космос. Для сравнения отметим, что американская Starlink сейчас использует только межспутниковую лазерную связь (космос—космос), при этом скорость передачи данных не превышает 100 Мбит/с, что в 1000 раз ниже новых достижений китайцев.

Во время демонстрации зонд MF02A04 группировки Jilin-1 (к 2027 году планирует насчитывать 300 активных спутников) передал изображение своей альма-матер, наземной спутниковой станции в провинции Цзилинь.

Стоит заметить, что китайские спутники будущей группировки Jilin-1 стали первыми коммерческими спутниками, продемонстрировавшими столь высокие показатели скорости. США достигли этих показателей несколько раньше, однако в рамках реализации научных миссий. 28 апреля 2023 года американское NASA смогло достичь пропускной способности оптического сигнала в 200 Гбит/с. Рекордных показателей скорости добились с помощью оптической системы TBIRD (TeraByte InfraRed Delivery), терминал которой установлен на спутнике NASA Pathfinder Technology Demonstrator 3 (PTD-3).

Лазерные терминалы наподобие TBIRD либо его аналогов, установленных на спутниках китайского созвездия Jilin-1, открывают невиданные до этого возможности в высокоскоростной передаче на Землю спутниковых снимков сверхвысокого разрешения. Это могут быть как изображения поверхности Земли, так и фотографии глубинного космического пространства, полученные с помощью современных оптических телескопов. Кроме этого, особенность технологии гарантирует значительно больший уровень защищенности данных, нежели тот, что могут предоставить сейчас даже современные системы РЧ-передачи. Именно поэтому большой интерес к системам лазерной передачи данных космического базирования проявляют не только гражданские, но и милитаристские департаменты.

Заинтересованность со стороны военных и будущее технологии

Военные структуры активно привлекают коммерческих подрядчиков для интеграции лазерной связи в космические силы. Так, в январе этого года американские военные спутники, являющиеся частью Расширенной космической архитектуры боевых истребителей (PWSA), впервые продемонстрировали возможность кросс-вендерной лазерной связи в условиях LEO.

Кросс-вендерная оптическая космическая связь — это тип лазерной связи, которая устанавливается между спутниками, разработанными разными поставщиками. Итак, во время январской демонстрации был организован обмен данными: Tranche 0 Transport (изготовленный денверской компанией York Space Systems) установил защищенный канал оптической связи со спутником Tranche 0 Transport (разработанным SpaceX).

Растущая тенденция к использованию кросс-вендерной лазерной связи указывает на значительную востребованность единых стандартов интерфейса и протоколов обмена данными для группировки военных спутников. Таким образом американское Агентство по космическому развитию (SDA) планирует разветвлять количество компаний, задействованных в производстве военных спутников, для уменьшения нагрузки на промышленную базу и усиления конкуренции среди основных подрядчиков. Также важно отметить, что именно со стороны военного сектора лазерная связь востребована ввиду высокой степени защищенности передаваемого сигнала.

Сейчас на орбите уже пребывают 23 военных спутника первого звена Tranche 0. В течение 2025 года к ним планируют добавить еще 150 военных спутников следующей генерации — Tranche 1. Вместе они будут выполнять целый спектр разнообразных задач, начиная с отслеживания ракетных пусков и заканчивая налаживанием устойчивой связи для командования стратегического, тактического уровня, боевой авиации, БПЛА и тому подобного. Участие во внедрении группировки Tranche 1 принимает целый ряд спутниковых производителей, среди которых L3 Harris, SpaceX, York Space Systems и Lockheed Martin.Будущее технологии оптической коммуникации в космосе становится свершившимся фактом. Сегодня в подобных системах передачи данных заинтересованы все сегменты космической деятельности: научный, коммерческий, милитаристский. Использование лазерных терминалов очевидно будет очень востребовано и при организации будущих межпланетных миссий, прежде всего к Марсу. И хотя мы еще не можем наверняка ответить на вопрос, когда именно человечество попадет на Марс, уже точно знаем, что там первых колонистов будет ждать высокоскоростной интернет.