Оптична передача сигналу у космосі і майбутнє супутникового зв’язку

Одразу після того як перші супутники з’явилися на навколоземній орбіті, людство отримало новий спосіб комунікації завдяки передачі радіосигналу з супутника на супутник або з супутника на Землю. Розташовані за сотні тисяч кілометрів над нашими головами, супутники вбачалися ідеальним засобом для одночасного покриття сигналом великих ділянок на Землі, що гарантувало можливість забезпечення зв’язком навіть важкодоступних куточків планети. Супутники-ретранслятори також видавалися цікавим рішенням для швидкої передачі сигналу на великі відстані, оскільки в космосі радіосигнал розповсюджується без перешкод, адже не стикається зі спротивом земної атмосфери. 

Останнє десятиріччя, що характеризувалося появою багатотисячних кластерів супутникових сузір’їв, зробило супутниковий широкосмуговий зв’язок не тільки доступним, але й швидким. Вперше за історію існування технології швидкість з’єднання почала наближатися до тієї, яку забезпечували оптоволоконні мережі. Проте радіозв’язок все ще мав низку невикорінених недоліків, серед яких була низька пропускна здатність, вразливість до перехоплення або глушіння супутникового радіосигналу. Саме тому космічні агентства та супутникові компанії заходилися розглядати альтернативні методи передачі супутникового сигналу — насамперед оптичний, або лазерний космічний зв’язок. 

Поява систем оптичного зв’язку: від Землі до космосу

Як і будь-яку космічну технологію, оптичну передачу даних спочатку винайшли на Землі. До найперших прикладів оптичної комунікації можна віднести сигналізацію факелами, які використовували древні люди ще до початку нашої ери.

Сучасний вигляд цієї технології окреслився лише наприкінці XIX сторіччя, коли американський фізик шотландського походження Александр Грехем Белл почав перші випробування свого фотофона. Його пристрій дозволяв передавати голосові повідомлення, використовуючи для цього сконцентрований промінь світла. Під час демонстрації 21 червня 1880 року фотофон Белла передав голосове повідомлення на відстань 213 м.

Однак технологія фотофона як пристрою для зв’язку доволі швидко посунулася після винайдення телефона, принцип дії якого був заснований суто на електричній схемі. Вона забезпечувала значно кращу якість зв’язку, хоча й потребувала електричних кабелів. Попри те, що деякі різновиди систем оптичного зв’язку подеколи використовувалися в першій половині XX сторіччя (тут можна згадати німецький оптичний пристрій Blinkgerät, який став у пригоді під час Першої світової війни), справжня революція у системах оптичної комунікації у вільному просторі (FSOC) відбулася тільки з винайденням лазера Теодором Майманом у 1960 році.

Перші лазерні системи зв’язку були організовані в США у вигляді CAN (campus area network). Вони використовували гелій-неонові лазери для передачі даних між комп’ютерами, підключеними до однієї мережі студентських університетів або корпоративних компаній. Важливо відмітити, що оптичний зв’язок не був притаманний усім мережам CAN, а зустрічався радше як виключення та технологічні демонстрації. Всупереч дуже гарним показникам захищеності лазерного каналу зв’язку, у другій половині XX сторіччя оптоволоконні мережі просто не допустили лазерну технологію до глобального комерційного ринку телекомунікаційних систем.

До того ж перші випробування систем лазерного зв’язку для передачі даних в умовах Землі швидко спростували перевагу методу оптичної передачі даних над радіочастотною (РЧ). Лазерний промінь погано підходив для трансферу даних на великі відстані: такий сигнал мав велику здатність до розсіювання та поглинання земною атмосферою, що призводило до значної затримки сигналу або й часткової втрати даних. Натомість більша довжина хвилі радіосигналу дозволяла йому майже безперешкодно проходити крізь атмосферу навіть за підвищеної вологості середовища або інтенсивних опадів (складні погодні умови негативно впливали лише на деякі РЧ-діапазони).

Але в космічному вакуумі спостерігалася зовсім інша картина. Відсутність спротиву навколишнього середовища нівелювала негативні аспекти лазерної передачі даних. Оскільки і радіо, і лазерні сигнали належать до електромагнітного випромінювання, в умовах космічного вакууму вони розповсюджувалися з однаковою швидкістю, близькою до швидкості світла. Ба більше, в умовах космічного середовища велика інтенсивність лазерного випромінювання і коротша довжина його хвилі дозволяють передавати більший (ніж РЧ-сигнал) об’єм даних за однаковий проміжок часу. 

Через ці особливості подальший розвиток технології лазерної комунікації був перенесений у площину земної орбіти, і далі, у ближній космічний простір.

Лазерний промінь на Місяці та перша міжсупутникова передача даних

Перша позаземна демонстрація технології лазерної передачі даних відбулася 1968 року, під час місії космічного апарата NASA Surveyor 7, який здійснив м’яку посадку на поверхню Місяця 10 січня. На борту посадкової платформи було встановлене приймальне обладнання, яке зафіксувало випромінювання двоваттних аргонових лазерів, що одномоментно надійшли з арізонської Національної обсерваторії Кітт-Пік (KNPO) та каліфорнійської Гірської обсерваторії Тейбл (TMO). 

Міжпланетним наступником Surveyor 7 у питанні розвитку систем лазерного зв’язку став юпітеріанський зонд NASA Galileo, запущений до газового гіганта 18 жовтня 1989 року. За три роки після старту своєї місії, у 1992-му, Galileo продемонстрував спроможність уловлювати лазерний маяк, спрямований на нього з Землі на феноменальній відстані 6 млн км. Щоправда, зонд був здатен лише приймати лазерний сигнал з наземної станції — його не оснастили необхідним обладнанням для організації каналу передачі зворотного сигналу.

Пізніше подібний експеримент із захоплення, наведення та стеження (PAT) оптичного сигналу провів японський супутник ETS-VI під час перебування на геотрансферній орбіті Землі. Швидкість передачі даних склала 1 Мбіт/с, чого було достатньо для передачі основних команд управління супутником. 

Свої дослідження систем оптичної комунікації проводило й Європейське космічне агентство (ESA), яке з 1977 року активно працювало над розробкою технології високошвидкісного лазерного зв’язку у космічному просторі. Результатом цієї роботи стала поява у 1980-х роках проєкту терміналів SILEX (Semiconductor laser Intersatellite Link Experiment) для міжсупутникової лазерної передачі даних. Розроблена компанією Astrium зі штаб-квартирою у Парижі система SILEX у якості передавача використовувала лазерний діод на основі напівпровідникового матеріалу з арсеніду-галію алюмінію (AlGaAs) потужністю 60 Вт, а загальна вага лазерного термінала дорівнювала 160 кг. Живлення всього термінала лазерного зв’язку потребувало 150 Вт енергії. 

Повний цикл розробки та тестування SILEX тривав майже 20 років, а перша демонстрація роботи супутникових терміналів лазерного зв’язку відбулася лише у листопаді 2001 року. Тоді за допомогою SILEX обмін даними провели два європейські супутники: ARTEMIS та моніторинговий SPOT-4, які підтримували сталий міжсупутниковий двоканальний зв’язок протягом усього терміну їхньої місії. Загалом лазерним каналом зв’язку було передано понад 230 годин телеметричних і сенсорних даних. Швидкість передачі даних за оптичним каналом склала 50 Мбіт/с. 

Пізніше, у листопаді 2005 року, ARTEMIS встановив перший у світі двоканальний лазерний зв’язок із японським супутником Optical Intersatellite Communications Engineering (також відомий як Kirari, запущений на борту ракети-носія “Дніпро”). Для власного супутника Японія розробила свій аналог лазерного термінала — LUCE (Laser Utilizing Communications Equipment), технічний устрій якого був подібний до європейського SILEX. Передачу зв’язку організували з низької навколоземної орбіти (LEO), де перебував Kirari, на геостаціонарну (GEO), на якій розмістився ESA ARTEMIS.

У грудні 2006 року вперше відбувся обмін супутниковими даними між супутником ARTEMIS та літаком, що перебував у повітрі. На останньому встановили французький термінал для організації лазерного зв’язку LOLA (Liaison Optique Laser Aéroportée), завдяки якому літак обмінювався даними із супутниковим лазерним терміналом SILEX. 

Тенденція до зменшення габаритів

Попри очевидний успіх технології лазерної міжсупутникової передачі даних, подібні термінали все ще погано підходили для використання в умовах космічного простору. Вони були надто важкі та споживали забагато електроенергії, на виході надаючи швидкість передачі даних, яку міг забезпечити стандартний радіохвильовий передавач значно меншого розміру. Для подальшого розвитку технології спочатку слід було зменшити масу та зробити лазерні термінали енергоощадними. 

Розробка компактних терміналів лазерного зв’язку розгорнулася в ESA на початку 90-х років минулого сторіччя, за 11 років до того, як перший SILEX почав працювати в супутниковій парі ARTEMIS/SPOT-4. Новий пристрій отримав назву SOUT (Small Optical User Terminal), а його проєктна вага оцінювалася всього у 25 кг. Головним підрядником проєкту виступила британська компанія British Aerospace. 

Звісно, зменшення габаритів лазерного термінала прогнозовано призвело і до зниження швидкості передачі сигналу — в малогабаритних терміналах вона дорівнювала 2 Мбіт/с. Всупереч тому, що програми SILEX та SOUT (у подальшому назву змінено на SOTT) розвивалися окремо одна від одної, важливим етапом стала технологічна сумісність двох терміналів — вони могли обмінюватися даними поміж собою. 

Станом на зараз лазерні термінали SOTT надалі існують. Останні малогабаритні лазерні термінали, призначені для комерційного використання у системах космос—космос, спроможні досягти швидкості передачі сигналу у 1 Гбіт/с.

Лазерні термінали SOUT сформулювали тенденцію до зменшення обладнання для організації сталого лазерного зв’язку типу космос—космос та космос—Земля. В подальшому саме ця тенденція призвела до можливості появи компактних лазерних терміналів на супутниках великих інтернет-сузір’їв на кшталт Starlink та інших, про які йтиметься нижче.

Прорив NASA: вдосконалення наведення та стеження

2013 року з метою удосконалити наявні системи лазерного зв’язку NASA повернулося до Місяця, запустивши свою місію LADEE (Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer). Одним із корисних навантажень зонда було обладнання для організації двостороннього каналу лазерного зв’язку з Землею — LLCD (Lunar Laser Communications Demonstration). 

Під час демонстрації системи 18 жовтня 2013 року термінал LLCD, що перебував на відстані 385 000 км від Землі, зміг забезпечити швидкість низхідного каналу передачі даних (з Місяця до Землі) у 622 Мбіт/с, а максимальна швидкість висхідного каналу (з Землі на Місяць) досягла позначки 20 Мбіт/с. Уперше за всю історію існування лазерного зв’язку низхідна швидкість передачі даних перевищила показники, притаманні стандартному радіочастотному зв’язку. 

Високу швидкість з’єднання гарантувала імпульсна модуляція лазерного променя, завдяки якій дані телеметрії та код передавалися не постійним лазерним випромінюванням, а блиманням лазера в короткі інтервали часу. Підхід дозволив надсилати великі масиви даних порційно, під час кожного такого включення лазера. 

У місії LLCD значно покращилася і система захоплення, наведення та стеження (PAT) за лазерним променем, що зі свого боку допомогло його звузити. Для цього скористалися лазерним телескопом LADEE (для передачі із супутника на Землю) та наземними станціями відстеження з великою апертурою, що дозволяла захоплювати слабкий лазерний сигнал супутника, який розсіювався, проходячи крізь атмосферу Землі. Чутливі системи PAT сприяли використанню вужчого лазерного променя, що зробило всю мережу менш вразливою до перехоплення. 

За рік після успіху LLCD, у квітні 2014 року, відбулася демонстрація системи OPALS (Optical PAyload for Lasercomm Science), розробленої Лабораторією реактивного руху (JPL) NASA. Корисне навантаження для лазерного зв’язку з наземними станціями на борт МКС прибуло космічним кораблем Dragon у межах комерційної місії з постачання SpaceX CRS-3. 

Термінал OPALS працював на космічній станції протягом 90 діб. Демонстрація системи полягала в тому, що з борту МКС лазерний промінь спрямовувався на наземну приймальну станцію в горах Сан-Габріель, Каліфорнія. В OPALS була реалізована власна автоматика — лазерний термінал автоматично наводив лазер на приймач на Землі, компенсуючи рух МКС та похибку, що спричиняла земна атмосфера. 

Під час низки експериментів з OPALS вдалося встановити 18 успішних з’єднань (із 26 спроб). Швидкість передачі даних склала 50 Мбіт/с, що підтвердило працездатність технології, але показник відмов у 30% аж ніяк не гарантував стабільність подібного методу передачі даних. Тож справжній прорив 2014 року в космічній лазерній комунікації належав зовсім не американцям.

ESA досягає гігабітної швидкості: поява EDRS

У листопаді 2014-го європейська ESA стала першою космічною організацією в світі, що спромоглася досягти гігабітної швидкості оптичної передачі даних у космічному просторі. 

Перша тестова космічна демонстрація нової європейської архітектури EDRS (European Data Relay System) відбулася під час місії супутника Sentinel-1A, який встановив канал лазерного зв’язку з іншим європейським супутником — ESA Alphasat. Показник швидкості передачі оптичного сигналу EDRS склав 1,8 Гбіт/с (зв’язок LEO — GEO на відстань до 45 000 км). Станом на 2014 рік це було недосяжним показником для будь-якого лазерного термінала зв’язку космічного базування. У подальших демонстраціях ESA планувало збільшити швидкість лазерного з’єднання в чотири рази, довівши її до 7,2 Гбіт/с.

Повноцінні супутники, що належали до угруповання EDRS, були запущені пізніше. В січні 2016 року орбіти дістався EDRS-A, а за три роки потому, 6 серпня 2019 року, його можливості були доповнені EDRS-С, схожим за функціоналом на свого попередника. Обидва супутники зайняли своє положення на GEO та стали своєрідними лазерними ретрансляторами, які забезпечували лазерний зв’язок із цілою низкою супутників на LEO. Супутники EDRS відправляли отримані з них дані на наземні станції, використовуючи три різновиди радіочастотних діапазонів: S (з піковою швидкістю передачі даних 600 Мбіт/с), Ku та Ka (до 800 Мбіт/с).

На сьогодні всього два супутники угруповання EDRS здійснюють майже повністю покриття територій Африки, Близького Сходу, Європи, Азії та Америки, забезпечуючи лазерний зв’язок з низкою комерційних і державних супутників та ретранслюючи їхні дані на Землю. План зміцнення угруповання до 2030 року передбачає появу на орбіті ще двох додаткових супутників, які мають забезпечити суцільне покриття всієї земної кулі. Станом на травень 2023 року європейська EDRS провела більш ніж 75 000 успішних операцій з лазерного міжсупутникового трансферу даних.

Комерційне використання

За останні роки лазерний зв’язок здійснив справжню революцію в комерційних системах міжсупутникової передачі даних, особливо в супутникових сузір’ях. Починаючи з версії 1.5 і далі компактними терміналами для передачі оптичного сигналу оснащуються всі апарати угруповання Starlink. 

Аналогічним шляхом крокує і головний конкурент Starlink — супутникове угруповання для глобального інтернет-покриття OneWeb. Компанія заявила, що планує організувати оптичний міжсупутниковий зв’язок для ретрансляції даних у космічному просторі у другій генерації своїх супутників OneWeb Gen 2. 

Ще одне комерційне супутникове сузір’я Amazon Kuiper (кінцева кількість має становити 3236 супутників на LEO) також буде використовувати лазерний зв’язок для комунікації між супутниками. Наразі на орбіті перебувають тільки два тестові супутники Amazon Kuiper: Kuipersat-1 та Kuipersat-2, запущені 2023 року. Після збору всіх тестових даних Amazon розпочне наступний етап розгортання зондів Kuiper за допомогою ракет-носіїв United Launch Alliance та Arianespace. 

Канадська телекомунікаційна компанія Telesat незабаром планує розгортання власного комерційного сузір’я Lightspeed, яке має налічувати 198 супутників. Попри відносно невелику (порівняно з іншими інтернет-сузір’ями) кількість апаратів, угруповання Lightspeed охопить майже всю площу планети, надаючи клієнтам доступ до високошвидкісного інтернету. 

Лазерний міжсупутниковий зв’язок реалізований і в новій генерації супутників Iridium NEXT, які забезпечують супутникову телефонію. Сузір’я з 75 супутників було розгорнуте в період з 2017 до 2019 року. Ще шість Iridium NEXT наразі у резерві на Землі — на випадок, якщо космічним апаратам знадобиться заміна.

На початку цього року про великий прорив у галузі високошвидкісного обміну даними заявила й китайська комерційна супутникова компанія Chang Guang Satellite Technology. Через низку китайських медіа вона звітувала про досягнення швидкості передачі даних у 100 Гбіт/с у системах космос—Земля та космос—космос. Для порівняння зазначимо, що американська Starlink наразі використовує тільки міжсупутниковий лазерний зв’язок (космос—космос), при цьому швидкість передачі даних не перевищує 100 Мбіт/с, що у 1000 разів нижче за нові досягнення китайців. 

Під час демонстрації зонд MF02A04 угруповання Jilin-1 (до 2027 року планує налічувати 300 активних супутників) передав зображення своєї альма-матер, наземної супутникової станції у провінції Цзілінь. 

Варто зауважити, що китайські супутники майбутнього угруповання Jilin-1 стали першими комерційними супутниками, що продемонстрували такі високі показники швидкості. США досягли цих показників трохи раніше, проте в межах реалізації наукових місій. 28 квітня 2023 року американське NASA спромоглося досягти пропускної здатності оптичного сигналу у 200 Гбіт/с. Рекордних показників швидкості добилися за допомогою оптичної системи TBIRD (TeraByte InfraRed Delivery), термінал якої встановлений на супутнику NASA Pathfinder Technology Demonstrator 3 (PTD-3). 

Лазерні термінали на кшталт TBIRD або його аналогів, встановлених на супутниках китайського сузір’я Jilin-1, відкривають небачені до цього можливості з високошвидкісної передачі на Землю супутникових знімків надвисокої роздільної здатності. Це можуть бути як фото поверхні Землі, так і світлини глибинного космічного простору, отримані за допомогою сучасних оптичних телескопів. Окрім цього, особливість технології гарантує значно більший рівень захищеності даних, ніж той, що можуть надавати наразі навіть сучасні системи РЧ-передачі. Саме тому велику зацікавленість до систем лазерної передачі даних космічного базування виказують не тільки громадянські, але й мілітаристські департаменти. 

Зацікавлення з боку військових та майбутнє технології 

Військові структури активно залучають комерційних підрядників для інтеграції лазерного зв’язку у космічні сили. Так, у січні цього року американські військові супутники, що є частиною Розширеної космічної архітектури бойових винищувачів (PWSA), вперше продемонстрували можливість кросс-вендерного лазерного зв’язку в умовах LEO. 

Кросс-вендерний оптичний космічний зв’язок — це тип лазерного зв’язку, який відбувається між супутниками, розробленими різними постачальниками. Отже, під час січневої демонстрації було організовано обмін даними: Tranche 0 Transport (виготовлений денверською компанією York Space Systems) встановив захищений канал оптичного зв’язку із супутником Tranche 0 Transport (розробленим SpaceX).  

Зростаюча тенденція до використання кросс-вендерного лазерного зв’язку вказує на велику затребуваність єдиних стандартів інтерфейсу та протоколів обміну даними для угруповання військових супутників. В такий спосіб американське Агентство з космічного розвитку (SDA) планує розгалужувати кількість компаній, задіяних у виробництві військових супутників, задля зменшення навантаження на промислову базу та посилення конкуренції серед основних підрядників. Також важливо наголосити, що саме з боку військового сектора лазерний зв’язок затребуваний через високий ступінь захищеності сигналу, що передається.

Наразі на орбіті вже перебувають 23 військові супутники першої ланки Tranche 0. Упродовж 2025 року до них планують додати ще 150 військових супутників наступної генерації — Tranche 1. Разом вони виконуватимуть цілий спектр різноманітних завдань, починаючи з відстеження ракетних пусків і закінчуючи налагодженням сталого зв’язку для командування стратегічного, тактичного рівня, бойової авіації, БПЛА тощо. Участь у впровадженні угруповання Tranche 1 бере ціла низка супутникових виробників, серед яких L3 Harris, SpaceX, York Space Systems та Lockheed Martin.Майбутнє технології оптичної комунікації у космосі стає доконаним фактом. Сьогодні в подібних системах передачі даних зацікавлені всі сегменти космічної діяльності: науковий, комерційний, мілітаристський. Використання лазерних терміналів очевидно буде дуже затребуваним і при організації майбутніх міжпланетних місій, насамперед до Марса. І хоча ми ще не можемо напевне відповісти на запитання, коли саме людство потрапить на Марс, вже точно знаємо, що там на перших колоністів чекатиме високошвидкісний інтернет.