【火腿快新闻】这颗小立方星数据传输速率比传统卫星通信的射频链路高出1000多倍

通信系统实现从太空到地面的最快激光链路 文：麻省理工学院 Ariana Tantillo

2022年5月，一颗小型立方体卫星上的tb红外传输(TBIRD)有效载荷被发射到距离地球表面300英里的轨道上。从那时起，TBIRD通过光通信连接到加利福尼亚州的地面接收器，以每秒100千兆比特的速度，以破纪录的速度传输了tb级的数据，比大多数城市最快的网速快100倍。

这一数据速率比传统上用于卫星通信的射频链路高出1000多倍，也是迄今为止从太空到地面的激光链路所达到的最高速率。这些创纪录的速度都是由一个纸巾盒大小的通信有效载荷实现的。

麻省理工学院林肯实验室在2014年提出了TBIRD任务的概念，作为一种以低成本为科学任务提供前所未有的能力的手段。如今，太空中的科学仪器产生的数据通常比通过典型的太空与地面通信链路返回地球的数据还要多。通过小而低成本的空间和地面终端，TBIRD可以使来自世界各地的科学家充分利用激光通信来下行链接他们曾经梦想过的所有数据。

TBIRD通信有效载荷由林肯实验室设计和制造，被集成到人伦轨道公司制造的立方体卫星上，作为美国宇航局探路者技术演示计划的一部分。NASA艾姆斯研究中心建立了这个项目，以开发立方体卫星总线(为有效载荷提供动力和引导的“飞行器”)，以更快、更便宜的方式将科学技术演示人员送入轨道。

这颗立方体卫星重约25磅，大小相当于两个堆叠的麦片盒，于2022年5月在佛罗里达州卡纳维拉尔角太空部队基地由Space X公司的Transporter-5拼车任务发射到近地轨道(LEO)。光学地面站位于加利福尼亚州的桌山，那里的大部分天气都发生在山顶以下，这使得这部分天空相对清晰，适合激光通信。该地面站利用了NASA喷气推进实验室光学通信望远镜实验室的一米望远镜和自适应光学(以纠正由大气湍流引起的扭曲)，林肯实验室提供了tbird专用的地面通信硬件。

实验室TBIRD有效载荷和地面通信项目经理、光学和量子通信技术组助理组长Jade Wang说:“我们已经证明了在比以往任何时候都小的包中具有比以往任何时候都高的数据速率。”“虽然用激光从太空发送数据听起来很未来，但我们每天使用的光纤互联网背后也有同样的技术概念。不同之处在于激光传输是在开放的大气中进行的，而不是在封闭的光纤中。”

从无线电波到激光

无论是高清视频会议、游戏还是流媒体电影，你都在使用穿越玻璃(有时是塑料)光纤的高数据速率链接。这些直径约为一缕头发的纤维被捆扎成电缆，通过激光或其他光源发出的快速移动的光脉冲传输数据。光纤通信对于互联网时代至关重要，在这个时代，每天都必须将大量数据快速可靠地分布到全球各地。

然而，对于卫星来说，基于激光通信的高速互联网还不存在。自20世纪50年代太空飞行开始以来，任务一直依赖无线电频率向太空和从太空发送数据。与无线电波相比，用于激光通信的红外光具有更高的频率(或更短的波长)，这允许在每次传输中包含更多的数据。激光通信将使科学家能够发送比今天的射频系统多100到1000倍的数据，类似于我们从拨号上网到高速互联网的地面切换。

从地球观测到太空探索，许多科学任务都将受益于这种加速，特别是随着仪器能力的进步，可以捕获更多的高分辨率数据，实验涉及更多的远程控制，以及航天器从地球更远地航行到深空。

然而，基于激光的空间通信存在几个工程挑战。与无线电波不同，激光形成的光束很窄。为了成功地传输数据，这束窄光束必须精确地指向地面上的接收器(如望远镜)。尽管激光可以在太空中传播很长一段距离，但由于大气和天气条件的影响，激光束会被扭曲。这种畸变导致波束经历功率损失，从而导致数据丢失。

在过去的40年里，林肯实验室一直在通过各种项目应对这些挑战。在这一点上，这些挑战已经可靠地解决了，激光通信正在迅速被广泛采用。工业界已经开始大量使用激光通信的低轨道交联，目的是增强现有的地面主干网，以及为农村地区的用户提供潜在的互联网主干网。

去年，NASA发射了激光通信中继演示(LCRD)，这是一种基于实验室设计的双向光通信系统。在即将进行的任务中，实验室开发的激光通信终端将被发射到国际空间站，在那里终端将与LCRD“对话”，并支持阿尔忒弥斯2号，这是一个载人计划，将在未来载人登月之前飞越月球。

王说：“随着人们对天基激光通信的兴趣和发展的不断扩大，林肯实验室将继续推动可能性的极限。”“TBIRD预示着一种新的方法，有可能进一步提高数据速率能力;缩小尺寸、重量和功率；降低激光通信任务成本。”

TBIRD旨在降低这些成本的一种方法是利用最初为地面光纤网络开发的商用现货组件。然而，地面组件的设计并不能承受太空的严酷条件，它们的运行可能会受到大气效应的影响。通过TBIRD，实验室为这两个挑战开发了解决方案。

商业组件适应空间

TBIRD有效载荷集成了三个关键的商用现货组件：一个高速率光学调制解调器，一个大型高速存储驱动器和光信号放大器。

所有这些硬件组件都经历了冲击和振动、热真空和辐射测试，以了解硬件在太空中的表现，在太空中，它将受到强大的力量、极端温度和高辐射水平的影响。当研究小组首次通过模拟太空环境的热测试来测试放大器时，纤维融化了。正如王解释的那样，在真空中，没有大气存在，所以热量被捕获，不能通过对流释放。该团队与供应商合作，将放大器修改为通过传导释放热量。

为了处理大气影响造成的数据丢失，该实验室开发了自己的自动重复请求(ARQ)，这是一种用于控制通信链路上数据传输错误的协议。使用ARQ，接收端(在本例中为地面终端)通过低速率上行链路信号提醒发送端(卫星)重新传输丢失或损坏的任何数据块(帧)。

“如果信号中断，数据可以重新传输，但如果效率低下——这意味着你把所有的时间都花在发送重复数据而不是新数据上——你会损失很多吞吐量，”TBIRD系统工程师Curt Schieler解释道，他是王团队的技术人员。“通过我们的ARQ协议，接收器告诉有效载荷它正确接收了哪些帧，因此有效载荷知道需要重新发送哪些帧。”

TBIRD的另一个新特点是它没有万向节，这是一种指向狭窄激光束的机制。相反，TBIRD依靠实验室开发的错误信号概念来精确指向航天器的主体。错误信号被提供给立方体卫星总线，因此它知道如何准确地将整个卫星的主体指向地面站。如果没有万向节，有效载荷甚至可以进一步小型化。

“我们打算展示一种低成本的技术，能够快速将大量数据从LEO下传到地球，以支持科学任务，”王说。“在短短几周的运营中，我们已经实现了这一目标，实现了高达每秒100千兆比特的前所未有的传输速率。接下来，我们计划使用TBIRD系统的其他功能，包括将速率提高到每秒200gb，实现超过2tb的数据下行——相当于1000部高清电影——在一个地面站的5分钟内通过。”

source：techxplore.com

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《古列尔莫·马可尼传：联络世界的人》，【加拿大】马克·拉伯伊/著 蔡留琴 殷倩/译，湖南科学技术出版社，2021年12月版

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